Öppna laborationer i kemi- och fysikundervisningen Bakgrund Dagens och morgondagens samhälle blir allt mera komplext. Dagens unga behöver bl.a. utveckla sin förmåga att identifiera och lösa problem i samarbete med andra, de behöver utveckla sin kreativa förmåga och de behöver utveckla sin förmåga att analysera och argumentera. Ett viktigt mål för undervisningen i naturvetenskap är att eleverna ska utveckla sin förståelse för hur ny kunskap utvecklas i naturvetenskapen, men också vad det innebär att arbeta på ett naturvetenskapligt sätt. I grunderna för läroplanen för den grundläggande utbildningen (USB 2014) men också för gymnasiet (UBS 2015) lyfts forskningsfärdigheter fram som viktiga lärandemål: eleverna ska lära sig att formulera frågor och utveckla dem till forskningsbara frågor eleverna ska planera och genomföra experimentella undersökningar (öppna laborationer) eleverna ska behandla, presentera, tolka och utvärdera sina forskningsresultat och utvärdera sin forskningsprocess. Vad är en öppen laboration? Öppna laborationer innebär att eleverna får engagera sig i naturvetenskapliga undersökningar och arbeta med problemlösning i samband med laborationerna. En öppen laboration kan definieras utgående från antalet frihetsgrader i laborationer, dvs. hur mycket får eleverna själva bestämma över. Frihetsgrader Problem / Material Procedur Svar (nivå) forskningsfråga 0 Givet Givet Givet Givet 1 Givet Givet Given Öppet 2 (A) Givet Givet eller devis Öppen eller Öppet givet delvis öppen 2 (B) Givet Öppet Öppen Öppet 3 Öppet Öppen Öppen Öppet (Hegarty-Hazel, E. (1990). The student laboratory and the science classroom.) Laborationer på nivå 3 är öppna laborationer, medan nivå 2A och 2B är mer eller mindre öppna.
Utmärkande för en öppen laboration är att eleverna involveras redan i planeringen av hur laborationen ska utföras, till skillnad från mer traditionella laborationer, där eleverna vanligen följer ett givet recept. En styrd laboration på nivå 1 (eller 0) kan t.ex. se ut så här: Separera salt från vatten 1. Häll 1 dl vatten i ett dekanterglas. 2. Tillsätt 1 tsk koksalt. 3. Rör om tills allt salt löst sig. 4. Lägg bägaren på en kokplatta och värm upp vattnet. 5. Koka försiktigt bort vattnet. 6. Vad har du kvar i dekanterglaset? Uppgiften kan dock göras öppen och samtidigt läggas in i en verklighetskontext. Den kunde då formuleras t.ex. så här: Du är ute på havet på en längre båtfärd. Ditt sötvatten har tagit slut. Du har bara tillgång till havsvatten. Kan du tillverka drickbart vatten av havsvatten? Hur skulle du göra? Planera en undersökning där du tillverkar saltfritt vatten av havsvatten. Skriv ner en plan för hur du tänker gå tillväga. Genomför undersökningen. Gör en rapport över ditt arbete där du beskriver din https://cdn.pixabay.com/photo/2016/04/1 forskningsfråga, hur du planerat och pixabay 6/00/24/swedish-archipelagogenomfört din undersökning, samt http://bit.ly/2o1queo presenterar dina resultat och dina slutsatser. Inom det EU-finansierade projektet S-TEAM producerades ett nätmaterial om öppna laborationer. Materialet innehåller bl.a. in introduktion till öppna laborationer, ett exempel på en lärares introduktion till en öppen laboration och även filmsekvenser där elever och lärarstuderande arbetar med öppna laborationer. Materialet finns tillgängligt under adressen: http://stream.vasa.abo.fi/flash/tritonia/kurten.php?file=kurten/0.flv
Öppna laborationer och naturvetenskapligt arbetssätt Då eleverna jobbar med öppna laborationer får de arbeta på ett naturvetenskapligt sätt och utvecklar samtidigt sitt naturvetenskapliga tänkande. Ett naturvetenskapligt arbetssätt kunde beskrivas med hjälp av en forskningscykel. Från problem till nyckelfråga till forskningsfråga Vi kan titta på forskningscykeln i ett skolsammanhang, där eleverna ska jobba öppet med att själva planera en undersökning om rostbildning. Problem: Metallers korrosion innebära enorma kostnader för samhället. Vi ser hur bilar rostar och mopeden och cyklarna. Nyckelfrågor: Varför rostar metaller? Varför rostar plåt eller järn? Vad finns det som påverkar rostbildning? Vad kunde man göra för att minska på rostbildningen? pixabay http://bit.ly/2nvug5p
Hypotes (elev 1): Jag tror att bilar rostar snabbare av saltvatten. Hemma har de sagt att det inte är bra för bilen då de saltar vägarna på vintern. Forskningsfråga: Rostar järn snabbare i saltvatten än i vanligt vatten? Utgående från forskningsfrågan kan elevgruppen nu göra en plan för sin undersökning. T.ex. så här: Så här tänker vi göra: 1. Vi lägger kranvatten i ett provrör. 2. Vi lägger lika mycket saltvatten i ett annat provrör. 3. Vi lägger en bit järnplåt i vardera provröret. 4. Vi låter provrörer stå kvar till nästa vecka. Det här behöver vi: 3 provrör vatten havsvatten vatten med vägsalt (CaCl 2 ) 2 järnbitar En annan grupp elever är kanske mer intresserade av att undersöka hur man kan förhindra att järn rostar och väljer i stället att undersöka. Hypotes (elev 2): Då vi hade bilen på rostskyddsbehandling lade de olja under bilen. Jag tror att järn rostar mindre om vi doppar den i olja. Den här elevens grupp kan nu planera och genomföra en undersökning där de undersöker hur olja kan skydda järn från att rosta. Som lärare kan du tipsa om att man kan använda en s.k. rostindikator för att snabbare kunna iaktta rostbildningen och ge eleverna metoden eller tips på var de eventuellt kan hitta metoden. Från plan till genomförande till sammanställning av data Olika elevgrupper kan nu genomföra en undersökning utgående från sin forskningsfråga. Under arbetets gång märker de kanske att det finns brister i deras plan. Då är det naturligtvis helt möjligt att revidera sin plan. Så gör man ju också i forskarvärlden. Öppna laborationer ger också eleverna möjlighet att lära sig att Provrör Vatten Havsvatten Vatten med vägsalt Rost
sammanställa data på ett överskådligt sätt; att skapa tabeller eller att göra upp grafter. Här behöver man som lärare kanske i början vägleda eleverna, men med tiden blir eleverna bättre på att själva fundera ut lämpliga tabellformat eller grafer. Från sammanställning av data till slutsatser till rapport Utgående från resultaten får eleverna dra slutsatser. I exemplet ovan kom de kanske till att saltet har inverkan på rostbildningen. Det här kan också bekräftas via en fördjupning i teori om korrosion. Undersökningen kan sedan sammanställas på olika sätt och är betoende på vilket ålder eleverna är i. Sammanställningen kan vara en rapport där forskningsfråga, hypotes, plan, resultat, slutsatser och förklaringar (teori) ingår. Äldre elever bör också kunna kritiskt utvärdera sina resultat och slutsatser och diskutera metoden de använt. Yngre barns rapport kanske består främst av bilder med lite förklarande text. I rapporten kan t.ex. gärna ingå fotografier från själva försöket. Då olika grupper genomför olika undersökningar är det ju viktigt att dela med sig av sina resultat. Detta kan göras på olika sätt, t.ex. genom muntliga presentationer, med hjälp av något presentationsverktyp (t.ex. powerpoint, prezi) eller som posterpresentationen, dvs. väggplanscher. Här finns det ju också goda möjligheter att utnyttja dagens teknologi och lägga in t.ex. egna filmklipp i presentationen eller göra dem tillgängliga med hjälp av QR-kod på en poster. En viktig del i en öppen laboration är diskussionen i klassen efteråt. Vad gick eventuellt fel? Och varför? Hur skulle ni göra om försöket om ni hade möjlighet till det? Har undersökningen väckt nya frågor att arbeta vidare med? Att formulera frågor Under lektioner är det för det mesta läraren som ställer frågor. Då eleverna laborerar är det vanligen lärarens frågor (eller arbetsbokens frågor) som eleverna ska besvara. Men vems frågor är man i allmänhet mest intresserad av att få svar på; sina egna eller andras? Att uppmuntra eleverna att ställa frågor, att utgå från elevernas frågor är en motivationshöjande faktor i undervisningen och lärandet.
Fundera själv Formulera och skriv ner så många frågor om sockers löslighet som du kommer att tänka på. Är dina frågor experimentellt undersökningsbara? Om inte, försök formulera om någon av dem till forskningsbara frågor. Varför -frågor kräver vanligen en förklaring som bygger på teorin bakom ett fenomen. De är därför svåra att direkt hitta svar på genom egna undersökningar. Varför -frågor kan omarbetas till mer prooduktiva undersökningsbara frågor, t.ex. jämförande frågor, hur - frågor eller vad händer om -frågor. S.k. produktuva frågor är frågor som stimulerar till aktivitet och inspirerar till undersökningar. Exempel Fråga: Varför känns en metallplatta kallare än en styroxplatta? Frågan är inte experimentellt undersökningsbar utan svaret hittar vi i teorin om värmeledning och värmeöverföring. Produktiv fråga: Har en metallplatta och en styroxplatta i rummet olika temperatur? Frågan är undersökningsbar, och efter att ha undersökt kan man sedan fördjupa sig i frågan varför plattorna de facto har samma temperatur.
Hypotes Hypotesens funktion då eleverna ska planera och genomföra undersökningar är att få eleverna att tänka och använda sina tidigare kunskaper. Hypotesen bidrar också till att eleverna kommer på egna idéer kring ett fenomen som de vill undersöka. Hypotesen utgör på så vis en del av planeringen av undersökningen. Hypotesen hjälper eleverna att fokusera på väsentliga variabler. Men en hypotes ska inte bara vara en vild gissning, en bra hypotes bygger på någon form av teori. Exempel Du vill ha socker i ditt te. Är det någon skillnad om du väljer att ta en sked strösocker eller en sockerbit, om du vill att sockret ska lösa sig snabbt? Jag tror att strösocker löser sig snabbare Jag tror att strösocker löser sig snabbare för att det består av små korn Jag tror att strösocker löser sig snabbare därför att vattnet kommer åt de små sockerkornen bättre Jag tror att strösocker löser sig snabbare därför att en större sockeryta kommer i kontakt med vattnet är en är en är en är en enkel gissning, en förutsägelse. Ingen hypotes. gissning med ett försök till förklaring. hypotes som grundar sig på hur upplösning sker. hypotes som bygger på en förståelse för den naturvetenskapliga förklaringen. En hypotes ska alltid innehålla en motivering: Jag tror att... därför att... Hantera variabler i en undersökning En naturvetenskaplig undersökning handlar ofta om att undersöka orsak-verkan samband. Då är det viktigt att eleverna utvecklar sin kunskap om olika typer av variabler; vad väljer man att studera eller mäta, vad ska hållas lika i undersökningen, vad kan man variera för att undersökningen skall vara ett s.k. kontrollerat experiment (I engelskan talar man ofta om fair test som ibland översätts med rättvis undersökning. Begreppet kan dock vara missvisande.) I ett kontrollerat experiment talar man om tre olika typer av variabler: 1. Beroende variabel; det man väljer att studera eller mäta 2. Oberoende variabel; den variabel som man vill se effekten av och som man således varierar 3. Kontrollvariabel (konstant); övriga faktorer som hålls lika under försöket, för att resultaten ska vara jämförbara.
Hur man formulerar en forskningsfråga styr valet av variabler. Från en styrd till en öppen laboration Traditionellt har laborationer i skolans kemi- och fysikundervisning varit mycket styrda. Det kan därför vara svårt att ta in öppna laborationer i sin undervisning, både lärare och elever är ovana. Man behöver inte tänka att man från att ha arbetat med laborationer med 0 eller 1 frihetsgrad plötsligt skall hoppa till nivå 3 och eleverna ska formulera forskningsfråga och genomföra plan, undersökning och rapport utan någon vana vid att själva ta beslut. I en öppen laboration är lärarens roll som bollplank och handledare oerhört viktig. En styrd laboration kan göras mera öppen genom att eleverna får göra mindre delar av planeringen.
Eleverna kan t.ex. börja med att välja utrustning, eller beskriva säkerhetsaspekter. De kan ha i uppgift att själva planera tabeller eller grafer osv. Viktigt är att fundera på forskningsfrågor då eleverna ska laborera. Ofta blir nämligen syftet med en laboration rätt oklar för eleverna. Fundera själv Välj ut en laboration från din egen undervisning och fundera på hur du kan göra den mera öppen. Kan utrustningslistan behöva kompletteras, finns det onödigt material som eleverna inte behöver i listan, kan du lämna bort något steg i beskrivningen som eleverna själva måste tänka ut...? Öppna laborationer alla behöver inte göra samma sak Då man arbetar med öppna laborationer i sin klass innebär det att alla elevgrupper inte nödvändigtvis gör precis samma sak. Olika gruppen kan t.ex. undersöka olika aspekter av ett fenomen. Man kan också starta från en styrd laboration, dvs. en undersökningsmetod kan vara given och en kontext. Men eleverna väljer själva vad de vill undersöka.
Andra möjligheter är att ha en demonstration. Demonstrationen då vara utgångspunkt för frågeställningar som eleverna formulerar, som i sin tur kan leda till elevernas egna undersökningar. Vissa elever kan ha svårt att hantera det öppna och känner kanske själva att de behöver klarare instruktioner. En möjlighet är då att ha olika varianter av laborationen, och ge eleverna möjlighet att själva välja om de vill jobba mera styrt eller öppet.
Lärandemål och utvärdering Fundera själv Vilka är lärandemålen för följande öppna uppgift? Vilken mugg ska du välja för att kaffet i muggen ska hållas varmt så länge som möjligt? Planera och genomför en undersökning. Målen för elevernas lärande då de arbetar med öppna laborationer hittar vi bland forskningsfärdigheterna i läroplanen (Se ovan). Syftet är inte primärt att eleverna ska lära sig ett begrepp, även om forskning visar att också deras begreppsförståelse utvecklas. Men viktiga lärandemål är just färdigheter som hör ihop med ett naturvetenskapligt sätt att arbete, såsom att formulera forskningsbara frågor, att själv planera och göra egna val, att själv kunna strukturera och presentera resultat och slutsatser, att kunna tolka och förklara sina resultat och även kunna argumentera för varför man gjort som man gjort och varför man drar vissa slutsatser. Detta betyder att det också är dessa färdigheter som ska utvärderas.
För att göra utvärderingen hanterbar kan man skapa utvärderingmatriser för olika dimensioner eller moment i arbetet med öppna laborationer (matriserna kan också användas i samband med mer styrda laborationer). Poängsättningen i en matris går från 0 poäng till 2 + 1 p. +1 innebär att eleven (eller gruppen haft med, eller gjort, det där lilla extra, som gör att just det momentet är värt en extra poäng. För de olika dimensionerna av öppna laborationer ställer man upp kriterier som man väljer att se på. En matris över Frågor och planering kunde t.ex. se ut på följande sätt: vidare för genomförandet av undersökningen:
Fundera själv Planera en utvärderingsmatris för 1. elevernas resultat och slutsatser 2. elevernas presentation och/eller rapport 3. samarbetet i gruppen Planera vad du kommer att utvärdera vid olika laborationstillfällen. Kommunicera detta till eleverna. Eleverna behöver veta vad som kommer att bedömas vid olika tillfällen. Tänk på vad du kan utvärdera individuellt och när du kan utvärdera gruppen som helhet. I slutet av kursen har du för varje elev en sammanställning över de utvärdera laborationerna som du kan använda vid slutbedömningen av eleven: Kom ihåg att ALLT SKA INTE UTVÄRDERAS VARJE GÅNG!
Självutvärdering Eleverna kan med fördel också göra en självutvärdering efter att de genomfört en (öppen laboration). Självutvärderingen kan innehålla frågor som berör deras förståelse av begrepp som varit aktuella i laborationen, men också färdigheter som utgör delar av den öppna laborationen, såsom t.ex. deras egen delaktighet i gruppens arbete och hur gruppen fungerat. En matris för självutvärdering, där eleverna individuellt kryssar i de rutor som bäst svarar mot deras uppfattning, kunde t.ex. se ut på följande sätt. (Exemplet bygger på att eleverna jobbat öppet med en laboration där de skulle separera salt från sand). Separera salt från sand Indunsta Mitt eget arbete Vår grupp Jag kan lära andra hur man kan göra Jag kan förklara andra vad det innebär Jag arbetade aktivt och hjälpte även andra i gruppen Vår grupp jobbade bra tillsammans. Alla hjälpte till Jag kan själv genomföra laborationen Jag förstår själv vad det innebär Jag var ganska aktiv och hjälpte de andra nån gång För det mesta kom vi överens och hjälptes åt Jag tror att jag kan göra laborationen själv, åtminstone delvis Jag tror att jag vet vad det innebär Jag gjorde en del praktiskt och kom med idéer om vad vi sku göra Vi hade vissa problem att samarbete men för det mesta gick det bra Jag är inte säker på om jag kan göra laborationen själv Jag är inte säker på vad det innebär Jag gjorde lite praktiskt Ibland kunde vi samarbete men för det mesta jobbade var och som den ville Jag vet inte hur man ska göra Jag vet inte vad det innebär Jag såg mest på då de andra jobbade Vår grupp kunde inte alls samarbeta Självutvärderingen är ju ett hjälpmedel för att eleven själv ska reflektera över sitt lärande, över sitt eget ansvar för lärandet och över arbetet i grupp. Som lärare får man en inblick i elevernas förståelse och uppfattningar. Självutvärderingen kan användas formativt, men ska inte användas till den summativa bedömningen.