Lena Löfgren - Avhandling

Bakgrund och syfte

Människan i ett modernt demokratiskt samhälle ska ha kunskap för att kunna ta ställning i en lång rad frågor. En hel del av de frågor som diskuteras idag rör vår gemensamma framtid avseende miljö, energi och resurser. Sådana frågor har ofta samband med varifrån material kommer och vart de tar vägen i processer i natur och samhälle. Många av dessa processer innefattar fenomen som vi inte kan uppfatta med våra sinnen. Ett sådant fenomen är förbränning av olika bränslen där fast material övergår i gasform. Ett annat fenomen är vattnets avdunstning till vattenånga. Bägge dessa fenomen har stor betydelse för livet på jorden. Det är av största vikt att skolans undervisning utformas så att elever får hjälp att utveckla sitt kunnande om sådana fenomen och om processer där de förekommer. Vikten av sådan undervisning understryks också i Kursplaner för Grundskolan:

Många uppgifter ställer i dag krav på naturvetenskapligt kunnande hos var och en, inte minst gäller detta miljö- och hälsofrågor. Med sådana frågor kontinuerligt belysta i undervisningen skapas en möjlighet för eleven att utveckla en förmåga att använda naturvetenskapligt kunnande som argument vid ställningstaganden. Därmed berör utbildningen eleverna både som individer och som samhällsmedborgare. (Kursplaner för Grundskolan, 2000 s. 2).

Elevers svårigheter att förstå dessa processer är väl dokumenterade i naturvetenskaplig didaktisk forskningslitteratur, t ex Andersson (1990). Forskning om elevers förståelse av ekologiska processer visar att elevers tidiga erfarenheter kan betyda en hel del för deras framtida förståelse av processer i naturen (Helldén, 1999, 2001). Elevers svårigheter att förstå förbränning har rapporterats av bland andra Johnson (2002) i en studie av 11-14 åringar. Studier om avdunstningsfenomen som t ex Osborne & Cosgrove (1983), Bar & Galili (1994) och Tytler (2000) behandlar nästan bara öppna situationer, dvs sådana där vatten avdunstar ut i fria luften.

För att kunna utveckla undervisningssituationer som befrämjar elevers lärande om materieomvandlingar behöver vi veta mer om hur unga elever i olika naturvetenskapliga sammanhang utvecklar sin förståelse av processer innehållande sådana omvandlingar. Att förstå hur en elev verkligen utvecklar sin förståelse i naturvetenskap är komplext. Det är väsentligt att veta om enskilda elevers utveckling för att verkligen kunna förstå vad som understödjer lärande och därigenom utveckla undervisningen i naturvetenskap. Det enda sättet att lära om enskilda individers utveckling är genom att studera enskilda elever mer i detalj och under längre tid. Denna typ av longitudinella studier är också efterfrågade i litteraturen, t ex White (2001).

Från 1997 har jag deltagit i ett större projekt "En longitudinell studie av hur lärande i naturvetenskap utvecklas tidigt i grundskolan". Högskoleverket och Högskolan Kristianstad har finansierat projektet och olika resultat har tidigare presenterats bland annat i Holgersson (2001) och Holgersson & Löfgren (2003). Projektet leds från 2003 av Ingemar Holgersson. Övriga som arbetat och arbetar med datainsamling och analys är Gustav Helldén och Ann-Charlotte Lindner.

Projektets grundläggande teoretiska ram är Human Constructivism formulerad av Joseph Novak (1993). Detta perspektiv är inspirerat av Ausubels teori om meningsfullt lärande och understryker vikten av det unika samspel som sker mellan tankar, känslor och aktivitet då människor lär och då människor skapar ny kunskap. Novak jämför och länkar samman teorier om lärande och teorier om kunskapsbildning. Han betonar också den betydelse som språket och det sociala samspelet har i lärandeprocesser.

Utifrån denna bakgrund är syftena med min avhandling

- att studera hur några individuella elevers föreställningar om materiens omvandlingar i några olika sammanhang utvecklas från 7 till 15 års ålder

- att studera hur en tidigt introducerad partikelmodell används av eleverna vid förklaringar av materiens omvandlingar

- att studera vilken roll ord, erfarenheter, resonerande och metakognition har på elevernas lärande om materiens omvandlingar

- att ta reda på hur eleverna, vid 15 års ålder, ser på sig själva som naturvetare.

Metod och genomförande

Det är bara genom någon form av kommunikation som vi kan få information om hur elever lär och tänker om olika fenomen. Liksom många andra forskare har jag upplevt att ett vänligt halvstrukturerat samtal med en enskild elev om ett fenomen och med konkreta föremål tillgängliga kan ge tillförlitlig information om elevens föreställningar (Duit, Treagust och Mansfield, 1996). Denna typ av intervju kan betecknas som en reviderad klinisk intervju. Att använda konkreta föremål vid intervjun som eleven kan titta på och eventuellt använda på olika sätt känns dessutom mycket naturligt och användbart i naturvetenskapliga sammanhang. Denna uppläggning är också flexibel med goda möjligheter att följa upp olika idéer som framkommer under intervjun (Ginsburg, 1997).

Jag har valt en longitudinell design av min studie eftersom jag är intresserad av de enskilda elevernas utveckling eftersom jag tror att detta, i det långa loppet, kan ge viktig information som kan användas för att utveckla bättre undervisningssituationer. Jag har valt att undersöka utvecklingen av elevernas idéer i tre olika sammanhang, ett biologiskt, ett kemiskt och ett fysikaliskt.

I min studie följer jag, huvudsakligen genom intervjuer, 20 elever från 7 till 15 års ålder. Eleverna är alla födda 1990 och bor i en medelstor svensk stad. Till att börja med gick de på två olika skolor. Alla klasser var åldersintegrerade, först i barnskola (förskoleklass och skolår 1 & 2) och sedan i tre-femmor (skolår 3, 4 & 5). I skolår 6, vid 12 års ålder, flyttade alla till en och samma skola där eleverna blandades med elever också från andra skolor och sedan delades in i åldershomogena klasser.

Våren 1997, 1999 och 2001 hade jag undervisningssekvenser med de elever som ingick i studien. Detta innebar att jag arbetade med grupper om 8-12 elever åt gången. Vid dessa tillfällen diskuterade vi olika situationer där materieomvandling sker. Dessa tillfällen har spelats in på video. Inspirerat av Novak & Musonda (1991) introducerades redan vid de första undervisningssekvenserna 1997 en förenklad molekylmodell. Eleverna var då 6 eller 7 år gamla, beroende på födelsedatum. Vid diskussionerna var det i fortsättningen möjligt att diskutera materieomvandlingarna mer detaljerat än vad som hade varit möjligt utan modellen. Våren 2003 hade lärarna speciella undervisningssekvenser då de och eleverna diskuterade nya men liknande situationer som tidigare år. Från hösten 2003 kommer eleverna att ha vanliga lektioner i biologi, kemi och fysik.

Intervjuer har genomförts individuellt och spelats in på band. Följande situationer har använts:

- multnande löv som lämnas kvar på marken
- stearin som till synes försvinner från ett brinnande ljus
- imma som bildas på insidan av en glasskiva lagd på ett dricksglas med vatten.

Strukturen på intervjuerna 1997, 1999, 2001 och 2003 har varit följande: Några löv har visats för eleven och inledningsfrågan har varit "Dessa löv har legat på marken i vinter. Vad tänker du skulle hända med löven om de fick ligga kvar på marken?". Två ljus, ett långt och ett kort, har sedan tagits fram. Jag har frågat samtidigt som jag pekat på ljusen "Vad tänker du har hänt med den här biten ljus?". Till sist har ett glas med vatten som täckts med en glasskiva ställts framför eleven. På insidan av glasskivan har imma bildats. Jag har frågat "Vad tänker du att det är på insidan av av glasskivan?" och sedan "Hur tänker du att det blivit så?". Beroende på elevens svar har sedan olika följdfrågor ställts.

1998, 2000 och 2002 har intervjuerna haft en metakognitiv karaktär. Tidigare projekt har visat att elever ofta kan belysa sina egna uttalanden om de får tillfälle att vid ett senare tillfälle kommentera dem (Helldén, 2001). Samma material som tidigare har visats för eleverna och de har lyssnat på den senaste intervjun från föregående år, en bit i taget. Jag har sedan frågat vad de tänker om det de sa förra året. Tänker de på samma sätt idag eller på något annat sätt? Hur tänker de idag? Även vid dessa intervjuer har olika följdfrågor använts beroende på elevens svar.

Under 2004 kommer jag att i smågrupper presentera eleverna för olika problemlösningssituationer där materieomvandling är en väsentlig del för att förstå situationerna. Elevernas diskussioner kommer att videoinspelas och vid analysen kommer speciell vikt att läggas på deras sätt att resonera när de pratar om och försöker förstå situationerna. Gruppdiskussionerna kommer att följas upp med individuella intervjuer. Under 2005 ska eleverna individuellt få se videoinspelningarna och kommentera diskussionerna. Vid dessa intervjuer kommer jag också att fråga dem hur de ser på sig själva som naturvetare.

Nedan visas en översikt av de olika, redan genomförda och planerade, inslagen i studien.

1997
Intervju. Undervisningsinslag. Intervju.
1998
Intervju metakognitiv.
1999
Intervju. Undervisningsinslag. Intervju.
2000
Intervju metakognitiv.
2001
Intervju. Undervisningsinslag. Intervju.
2002
Intervju metakognitiv.
2003
Intervju. Undervisningsinslag.
2004
Problemlösningssituationer i smågrupper. Uppföljningsintervju.
2005
Intervju metakognitiv.

Preliminära resultat

De intervjuer som hittills genomförts har analyserats utifrån elevernas beskrivningar av de olika fenomenen. Varje fenomen har analyserats för sig och jag har tittat efter kategorier av uppfattningar som eleverna ger uttryck för. Olika mönster av individuell utveckling har sedan analyserats.

De yngsta eleverna fokuserar på lövens utseende. Senare förklarar de nedbrytningen med ord som ruttna och förmultna. I de senare intervjuerna berättar de flesta eleverna att löven blir jord eftersom maskar äter dem.

Att förstå vad som händer då ett ljus brinner är mycket svårt. Den konkreta erfarenheten är att stearinet bara försvinner. Det finns inget att förklara. När eleverna sedan tänker efter säger de flesta att stearin rinner ner utefter sidan eller att det helt enkelt smälter. Senare tror de att det kan avdunsta ut i luften genom någon smält- och/eller torkprocess. I de senare intervjuerna är det några få som uttrycker idén att någon form av materietransformation kan ske.

Förutom i de allra första intervjuerna vet alla eleverna att det är vatten på insidan av glasskivan.. För många elever är luften viktig endera pga den instängda situationen eller pga att luft kan lyfta vattnet. För många av dem spelar temperaturen en viktig roll. I de senare intervjuerna använder de ofta ordet avdunstning för att förklara situationen.

Analyserna av de enskilda elevernas utvecklingsmönster i de olika sammanhangen och jämförelsen mellan utvecklingen i de olika sammanhangen pågår. Resultaten så långt visar att eleverna utvecklar förståelse av de olika fenomenen på olika sätt. När eleverna utvecklar förståelse av situationerna är de direkt beroende av sina olika erfarenheter. För en del av dem blir molekylbegreppet ett verktyg som hjälper dem att förstå gasfasen. Deras utveckling av förståelse tycks också vara starkt beroende av deras allmänna språkutveckling och deras förståelse av speciella ord.

Slutsatser så långt

Resultaten i detta läge visar hur komplicerat lärande av dessa till synes ganska enkla fenomen är, hur komplicerat lärande är och att lärande har en starkt individuell variation. Resultaten visar också att en longitudinell studie som denna med kvalitativa analyser har en chans att fånga denna komplexitet och variation. Studien informerar om möjligheter att använda ett förenklat molekylbegrepp i tidig undervisning inom detta område. Resultaten, så här långt, visar också på vikten av personliga erfarenheter och ett bra ordförråd för att eleverna ska förstå dessa fenomen. Det tycks finnas en stor potential att förbättra elevers lärande om materieomvandlingar genom att skapa lärandemiljöer där eleverna får möjligheter att prata om, undersöka och diskutera sina personliga erfarenheter och uppfattningar i de olika sammanhangen.

Litteratur

Andersson, B. (1990). Pupils' conceptions of matter and its transformations (age 12-16). Studies in Science Education, 18, 53-85.

Bar, V. & Galili, I. (1994). Stages of childrens' views about evaporation. International Journal of Science Education, 16 (2), 157-174.

Duit, R., Treagust, D.F., & Mansfield, H. (1996). Investigating student understanding as a prerequisite to improving teaching and learning in science and mathematics. In D.F. Treagust, Duit, R. & Fraser, B. J. (eds.) Improving teaching and learning in science and mathematics (pp. 17-31). New York: Teachers College Press.

Ginsburg, H. P. (1997). Entering the Child's Mind. Cambridge: University Press.

Helldén, G. (1999). A longitudinal study of pupils' understanding of conditions for life, growth, and decomposition. In Bandiera, M., Caravita, S., Torracca, E. & Vicentini, M. (Eds.): Science education research in Europe. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Helldén, G. (2001). Personal context and continuity of human thought; recurrent themes in a longitudinal study of pupils' understanding of scientific phenomena. In H. Behrendt, H. Dahncke, R. Duit, W. Gräber, M. Komarek, A. Kross & P. Reiska, (Eds). Research in science Education - Past, Present and Future. Dordrecht. Kluwer Academic Publishers.

Holgersson, I (2001) Young children and molecules – examples from a longitudinal study on children's views of matter. Paper presented at ESERA-3, Thessaloniki, Aug 2001.

Holgersson, I. & Löfgren, L. (2003): A long-term study of students' explanations of transformations of matter. Accepted for publication in The Canadian Journal for Science, Mathematics, and Technology Education.

Johnson, P. (2002). Children's understanding of substances, part 2: Explaining chemical change. (to be published in International Journal of Science Education)

Kursplaner för Grundskolan. Naturorienterande ämnen. (2000).

Novak, J. D. (1993). Human Constructivism: A Unification of Psychological and Epistemological Phenomena in Meaning Making. International Journal of Personal Construct Psychology, 6, 167-193.

Novak, J.D. & Musonda, D. (1991). A twelve-year longitudinal study of science concept learning. American Educational Research Journal, 28(1), 117-153.

Osborne, R. & Cosgrove, M. (1983). Childrens' conceptions of the changes of state of water. Journal of Research in Science Teaching, 20 (9), 825-838.

Tytler, R. (2000). A comparison of year 1 and year 6 students' conceptions of evaporation and condensation: dimensions of conceptual progression. International Journal of Science Education, 22 (5), 447-467.

White, R. (2001). The revolution in research on science teaching. In V. Richardsson (ed.) Handbook of Research on Teaching. New York: Macmillan.