Materiabegreppet i de tidiga skolåren Annette Zeidler För att lyckas med sin undervisning om materia bör man utgå från elevernas förförståelse, samt veta vilka vanliga missförstånd som man ska försöka undvika. Denna handledning är en kort sammanställning först över relevanta fakta samt över vad forskare vet kring elevers förståelse av materia, men även tips på metoder som kan användas i skolan. I slutet finns lästips i form av två länkar till fördjupande läsning. En av länkarna går till Nordlab, vilket är ett nordiskt projekt finansierat av Nordiska ministerrådet, och går ut på att ge lärare i naturvetenskapliga ämnen redskap att förbättra och förnya sin undervisning. Dessa redskap bygger till viss del på didaktikprofessorn Björn Anderssons egen forskning kring elevers begreppsförståelse, men även på andra forskares resultat. Det svenska delprojektet Nordlab-SE finansieras av Utbildningsdepartementet och Skolverket. Det innehåll som ska behandlas finns definierat i Lgr 11 som strävansmål och lärandemål. Strävansmål i kemi Lgr 11: Genom undervisningen i ämnet kemi ska eleverna sammanfattningsvis ges förutsättningar att utveckla sin förmåga att använda kunskaper i kemi för att granska information, kommunicera och ta ställning i frågor som rör energi, miljö, hälsa och samhälle, 55
genomföra systematiska undersökningar i kemi, och använda kemins begrepp, modeller och teorier för att beskriva och förklara kemiska samband i samhället, naturen och inuti människan. Detta kan innebära att eleverna kan förklara makroskopiska fenomen med hjälp av mikroskopiska begrepp. Exempel på fenomenen kan vara faser, fasövergångar, kemisk reaktion, vattnets kretslopp eller löslighet, och de mikroskopiska begreppen kan då vara atomer, molekyler etc. Förståelse av materiens uppbyggnad och kretslopp är en grund för att senare kunna ta ställning till frågor kring hållbar utveckling och resurshushållning. I Lgr 11 uttrycks lärandemålen kring materias uppbyggnad mer konkret: Material och ämnen i vår omgivning Materials egenskaper och hur material och föremål kan sorteras efter egenskaperna utseende, magnetism, ledningsförmåga och om de flyter eller sjunker i vatten. Människors användning och utveckling av olika material genom historien. Vilka material olika vardagliga föremål är tillverkade av och hur de kan källsorteras. Vattnets olika former: fast, flytande och gas. Övergångar mellan formerna: avdunstning, kokning, kondensering, smältning och stelning. Luftens grundläggande egenskaper och hur de kan observeras. Enkla lösningar och blandningar och hur man kan dela upp dem i deras olika beståndsdelar, till exempel genom avdunstning och filtrering. Det handlar alltså mycket om luft, vatten och olika materials egenskaper samt att ge handlingskompetens för källsortering. 56
Fakta om materiens byggnad och egenskaper Här nedan följer en kort repetition av innehållet samt begreppsdefinitioner för läraren, vilket följs av idéer som kan underlätta lärande. Materia är uppbyggt av atomer som inte har någonting emellan sig. Det kallas att materia är diskontinuerlig. En kopparatom ser inte ut som materialet koppar gör. En metallatom har inte metallglans och leder inte ström. Då ett ämne är varmt är inte atomen varm. Detta kallas att makroskopiska egenskapen skiljer sig från submikroskopiska egenskapen. Då ämnet är i fast form är atomerna/molekylerna regelbundet placerade och sitter och darrar på stället, eftersom det finns starka krafter mellan atomerna. En liknelse kan vara hur man sitter i en kall biograf och huttrar. Då ämnet värms upp och smälter minskar krafterna mellan atomerna, och de kan börja röra sig ganska nära varandra, ungefär som en biograf som töms på människor. Då är ämnet flytande. Värmer man ännu mer släpper alla krafter mellan atomerna/ molekylerna så det inte finns några krafter kvar mellan dem. Detta gör att de rör sig rätlinjigt, tills de studsar mot något. Då har ämnet övergått i gasform. Ungefär det som händer utanför biografen, då människorna sprids åt olika håll efter föreställningen. Alltså atomer/molekyler är i ständig rörelse, men på olika sätt beroende på temperaturen. En fasförändring innebär att de atomer eller molekyler ämnet är uppbyggt av rör sig snabbare vid uppvärmning eller rör sig långsammare vid avkylning. Denna rörelseändring kan studeras som en fasförändring t.ex. att is smälter, vatten avdunstar eller stelnar eller att vattenånga kondenserar. En kemisk reaktion är däremot att atomer och molekyler byter grannar, omarrangerar sig, på submikronivå, så att ett nytt ämne bildas. Exempel på sådana kemiska reaktioner är förbränning, cellandning och oxidation (rostning). I båda fallen bevaras massan, men då är det viktigt att tänka på att gaser har massa, till exempel vid förbränning/oxidation bidrar syreatomerna i luften med massan på till exempel rosten. Löslighet innebär att ett ämnes atomer eller molekyler kan bilda nya svaga bindningar till vatten eller ett annat lösningsmedel, utan att 57
en kemisk reaktion sker, och därmed syns inte ämnet längre men finns kvar. Detta kan studeras då kaffet avdunstar och sockret finns kvar i botten på koppen, eller när saltvatten avdunstar och saltet blir kvar då vattnet gett sig iväg. Atomer kan inte försvinna utan möjligtvis byta fas eller ingå i ett annat ämne. Detta benämns materias konservering och är en grund för förståelse av kretslopp och hållbar utveckling (se även Sjöströms kapitel i denna skrift). Då vatten kokar upp ökar molekylernas rörelse pga. av den höjda temperaturen och först frigörs små bubblor som består av luft (t.ex. kvävgas och syrgas) som varit löst i vattnet. De stora kokbubblorna vid kokpunkten består däremot av vattenmolekyler i gasfas. Dessa luftbubblor kan även studeras om man sätter ett vattenglas i ett soligt fönster. Låt gärna eleverna titta på animerade klipp för att hjälpa dem i konstruktionerna av händelseförloppen på submikronivå. http://www.youtube.com/watch?v=unboqe2rsgo&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=guou_cur8ee&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=eh5v54dmb5u Material, som nämns i kursplanen, är uppbyggt av materia, och det inbegriper rena ämnen som grundämnen och kemiska föreningar men även blandningar, t.ex. homogena och heterogena. Magnetiska material innehåller oftast järnatomer och alla metaller leder ström. Finns det bara järnatomer eller kopparatomer i en metallbit är det ett rent ämne, men ofta består vardagens spikar och bestick av legeringar, vilket betyder att de innehåller flera olika sorters metallatomer och kallas då en homogen blandning. Då man arbetat med förståelse kring olika materials uppbyggnad är det en grund för att kunna förstå källsorteringsprinciper. 58
Missuppfattningar kring vad som är materia Olle Eskilsson har i sin doktorsavhandling (2001) gjort en genomgång av forskning kring elevers föreställningar kring materia fram till år 2000. Han redovisar vanliga missförstånd när det gäller materia och som Griffith (1994) uppmärksammat: Bubblorna från kokande vatten är värmebubblor eller består av luft eller av syre och väte. När ett ämne löses upp upphör det att existera. Materia är fasta ämnen vätskor och gaser är inte materia. Materia är uppbyggd av en materiell kärna av icke-materiella egenskaper som färg och lukt. Materia existerar endast om man kan se den. Materien kan vara viktlös. Biologiskt material är inte materia. Materien är kontinuerlig utan mellanrum. Partiklarna blir större och större när ämnet övergår från fast till flytande till gas. Eskilsson (2001) sammanfattar själv elevers missuppfattningar kring vad som är materia. Elever: är osäkra på vad som är materia tycker att det som inte syns inte är materia tycker att det som man upplever inte väger något, inte är materia tycker inte att biologiskt material är materia blandar samman materia, material och ämne har svårigheter att beskriva egenskaper hos ämnen 59
Franska forskare undersökte 11-12åringars tankar kring en fotbolls förändring av massa vid pumpning (Nordlab). Först vägdes en sumpig boll och därefter skulle eleverna förutsäga vad som skulle hända med vikten då fotbollen blev fullpumpad. 45% ansåg att vikten skulle öka, 16% menade att massan inte blev påverkad, eftersom luft inte väger något. 25% tänkte att bollen blev lättare, i allmänhet med motiveringen att den studsade bättre. Detta försök är enkelt att utföra i klassrummet och ha som utgångspunkt för diskussioner om att gaser är materia och följaktligen har massa. Som No-lärare är det viktigt att känna till dessa missuppfattningar och planera undervisningen så att dessa frågor behandlas och att eleverna får tid till att bearbeta dessa frågor samt göra sina egna konstruktioner. Till exempel kan man arbeta med kategoriseringsövningar, concept cartoons eller leka Odd man out med dessa typer av ämnen. Man kan börja med att använda förstoringsglas och förklara dess princip och därefter fråga hur materia ser ut om man hade ett speciellt förstoringsglas som kunde förstora jättemycket. De flesta elever i Sverige är bekanta med lego- och duplobitar som då kan användas som en första modell för att konkretisera materia. Odd man out-leken är leken från TV-programmet Fem myror är fler än fyra elefanter när det finns fyra saker i en hylla och man ska välja bort den udda. Alla förslag är rätt beroende på vilket argument man använder, och det är ett sätt att genom diskussion kunna se andra perspektiv än det man ser först. Jag brukar ha kol, diamant och en annan ädelsten som en grupp och salt, socker och olivolja som en annan. Guld, silver och brons är ytterligare en grupp, som är spännande för barn att titta, känna på samt diskutera. Jag väljer grupper där förklaringar finns både på makro- och submikronivå, så vi kan diskutera de olika nivåerna och visar konkret mikronivån med legobitar. Komponenter för förståelse av en partikelmodell Novick och Nussbaum (1978, 1981)har definierat fem komponenter som är kritiska för att förstå en partikelmodell: 60
gaspartiklarna finns fördelade slumpvis inom det slutna systemet gaspartiklarna är i ständig rörelse uppvärmning och avkylning ändrar partiklarnas rörelse kondensation kan ses som en ändring i partikeltätheten det är tomrum mellan gasens partiklar Då eleverna har stabila uppfattningar om att materia är statisk och kontinuerlig är det ett första steg i förståelsen att ge eleverna bilden av diskontinuerliga partiklar i rörelse. Metoder som kan användas för detta är rollspel, där eleverna är partiklar som rör sig enligt biografmodellen, men det finns även animationer på internet som kan visa detta. Nussbaum(1985) anser även att första komponenten för partikelbegreppet är de osynliga partiklarna. Bakterier och virus som eleverna ofta hört talas om kan då vara en ingång. Man kan även diskutera vad som händer då rökelse tänts i klassrummet och hur vi kan uppfatta detta. Var då noga med att diskutera att en molekyl inte luktar något i sig själv. Elever kan tro att eftersom svavel är gult, är varje svavelatom gul och eftersom järn leder värme, så leder även varje järnatom värme, vilket inte är fallet. Denna syn på materien förekom på 1300-talet och man trodde då att varje ämne bestod av mycket små partiklar, kallade minima naturalia (Nordlab.se) Dessa partiklar hade samma egenskaper som ämnet hade förutom att de inte var delbara. En annan metod för att eleverna ska konstruera en partikelmodell är att arbeta problemorienterat och låta eleverna utföra försök där det krävs en partikelmodell för att förklara försöken. Försöken skulle kunna behandla fasövergångar av vatten, t.ex. låta eleverna uppleva att is tar större plats än vatten, koka vatten och hålla en spegel ovanför samt andas på spegeln och förklara de uppkomna vattendropparna. Koka vatten och uppmärksamma de olika sorternas bubblor och även göra rollspel för vattnets utseende i de olika faserna. Man kan exempelvis 61
göra ett vattenkretslopp med övertäckt kristallisationsskål eller diskutera vart vattenpölar tar vägen. Vissa forskare anser att en enkel partikelmodell kan introduceras tidigt, medan andra menar att man ska vänta tills man kan jobba med en modell som är nära naturvetenskapens modell. Naturligtvis spelar det roll hur modellen introduceras, och man får utvärdera vilken konstruktion som skett, och förbättra till nästa gång, precis som man gör efter all undervisning. Elevers idéer om materiens faser och fasövergångar Att förstå skillnaden mellan kemisk reaktion och fysikalisk förändring, det vill säga fasövergång, ingår som ett mål i lågstadiet. Har man då förarbetat så eleverna redan konstruerat en partikelmodell för vad som är materia samt materiens faser, fast, flytande och gasform, är en bra grund lagd. Stavy och Stachel (1985) har konstaterat att elever inte utvecklar ett gasbegrepp före undervisning om sådant, vilket kan bero på att eleverna inte har så många vardagliga erfarenheter av gaser. Före undervisning definierar elever (9-13 år) själva enligt Krnel (1995): man kan hälla en vätska man kan blåsa luft (en gas) man kan hålla ett fast ämne Johnson (1995) finner att eleverna får svårigheter att klassificera ämnen som stålull och sågspån som fasta ämnen, med motiveringen att fasta ämnen inte är ihåliga och har en bestämd form. Detta tyder på föremålsfokus och inte ämnesfokus som kemister har. Osborne och Cosgrove (1983) intervjuade 12-17 åringar kring deras föreställningar om fasövergångar och de fick förklara vad som sker med vatten i ett tefat som avdunstar. 20 % av 12-13-åringar tänker att vattnet upphör att finnas, medan 40 % av samma grupp tänker att 62
vattnet sönderdelas i väte och syre eller försvinner i luften som små vattenpartiklar. De fann även uppfattningar om att kondenserat vatten på utsidan av ett glas beror på att vatten sipprat genom glaset. Detta sistnämnda kan man diskutera genom att använda sig av en concept cartoon, till exempel där flera barn observerar att det finns imma på utsidan av ett saftglas och man diskuterar deras olika uppfattningar varifrån detta kommer. Bild 1, Concept cartoon Concept cartoons består alltid av en teckning med tre till fem barn, vilka studerar ett naturvetenskapligt fenomen i ett vardagssammanhang. Barnen har var sin pratbubbla där de förklarar fenomenet på var sitt sätt. Endast en av förklaringarna ska vara naturvetenskapligt korrekt, resten innehåller vardagsförklaringar eller missuppfattningar(keogh and Naylor, 1999). Fördelar med concept cartoons är a) att man hittar elevernas missuppfattningar snabbt b) nästan alla i klassen deltar i klassdiskussioner c) motiverar eleverna att vässa sina argument samt d) 63
arbetar bort elevernas missuppfattningar (Keogh & Naylor, 1999). Då det visat sig att missuppfattningar är svåra att ändra på (Fischer, 1985) är det viktigt att tydliggöra dem både för läraren och för eleverna själva. Bing och Tam, (2003) föreslår att de kan användas som startdiskussion i helklasser och i smågrupper medan Keogh och Naylor, (1999) anser att de kan vara verktyg vid formativ bedömning. Kabapinar (2005) föreslår att man använder dem i fyra olika faser vid undervisningen. Först vid introduktionen, därefter i en diskussion om själva fenomenet, sedan undersökningar kring de olika idéerna samt sist avslutar man med en diskussion där man tar hänsyn till försökens utfall och drar slutsatser kring fenomenet. Han menar även att då det är karaktärernas idéer och inte elevernas egna idéer, får man även de osäkra eleverna att delta i diskussionerna. Arbetssättet skapar en konstruktivistisk lärandemiljö samtidigt som naturvetenskapens arbetsmetoder naturligt integreras i ämnesinnehållet. I Eskilssons avhandling tas Kesidous (1993) tankar om vattnets kretslopp upp. Hon menar att man, för att förstå vattnets kretslopp, måste förstå flera naturvetenskapliga begrepp, såsom materiens konservering, avdunstning, kondensation, molnbildning och regn samt rekommenderar att eleverna tidigt ska komma i kontakt med företeelser där elevernas föreställningar om detta utmanas. Hon menar däremot att hela kretsloppet inte bör behandlas förrän vid 14-15 års ålder. Fördjupning Björn Andersson har i ett nordiskt projekt som kallas Nordlab.se skrivit mycket om elevförståelse samt gjort tester som kan användas som utgångspunkt till diskussioner eller att ge eleverna om du vill testa förförståelsen (Nordlab.se). De är bra utgångspunkter om man vill konstruera sina egna concept cartoons. Här nedan ett exempel på test av fasförändringar 64
Fråga 1. Fast, flytande eller gasformigt? Vatten i flytande form Vatten i fast form Vatten som gas Ett annat ämne än vatten Vad är en snöflinga? Vad är imma på en spegel? Vad är hagel? Vad är ett moln på himlen? Vad är rimfrost? Vad är dagg i gräset? Vad är en bubbla i kokande vatten? Fråga 2 Vilken fasövergång är det? Till vänster nedan är fyra? olika händelser beskrivna. Till höger skall du, för varje händelse, skriva ett av orden smältning, avdunstning, kokning, kondensering eller stelning. Det gäller att välja det ord som passar bäst in. Vatten fräser i en het panna Det blir is på sjön Den regnvåta asfalten torkar Det bildas en klar vätska runt veken i ljuset som brinner Det bildas droppar på saftflaskan efter det att den tagits ur kylen Den förut blöta handduken känns nu torr 65
Ett annat material är framtaget av Björn Andersson och Frank Bach som hjälp för lärare som ska arbeta med gaser. Det innehåller undervisningsexempel och heter: Att utveckla naturvetenskaplig undervisning (gaser)och finns som länk här: http://hdl.handle.net/2077/23892 Referenser Andersson B. & Bach, F. (1995). Att utveckla naturvetenskaplig undervisning. NA-spektrum nr 14. Göteborg: Göteborgs Universitet. Eskilsson, Olle. (2001). En longitudinell studie av 10-12-åringars förståelse av materiens förändringar. Göteborg: Gothenburg studies in educational sciences 167. Doktorsavhandling. Kabapinar, F. (2005). Effectiveness of teaching via concept cartoons from the point of view of constructivist approach, Educational Sciences: Theory & Practice, vol 5, no1, s. 101-146. Keogh, B. & Naylor, S. (1999). Concept cartoons, Teaching and Learning in Science: An evaluation. International Journal of Science education, vol 21, no 4, s. 431-446. Naylor, B. & Naylor S. (2000). The snowman s coat and other science questions. London: Hodder children s books. Nordlab.se http://na-serv.did.gu.se/nordlab/se/trialse/trialunits.html. Hämtad maj 2012 66