Contingency in high-school students reasoning about electrochemical cells: Opportunities for learning and teaching in school science

Abstrakt

Enskildheter och tillfälligheter i gymnasieelevers resonemang om galvaniska element Möjligheter för lärande och undervisning i naturvetenskap Den här avhandlingen handlar om vad elever lär sig i olika situationer, och hur de går tillväga för att handskas med dessa situationer, medan de är engagerade i olika klassrumsaktiviteter i gymnasieskolans naturvetenskap. Jag har genomfört detaljerade analyser av vad och hur elever lär sig om ett visst naturvetenskapligt innehåll under en aktivitet, och utifrån dessa formulerat hypoteser om hur lärare kan hjälpa elever att lära sig naturvetenskap. De aktiviteter jag har studerat handlar om elektrokemi. Eleverna fick antingen konstruera, observera och resonera om ett riktigt galvaniskt element (d v s ett enkelt batteri) eller konstruera en begreppskarta och resonera om en tecknad bild på ett galvaniskt element. Det är särskilt två delar av dessa aktiviteter som legat i fokus för mina analyser. Jag studerade (1) vilken roll de naturvetenskapliga idéer som dök upp under aktiviteterna, både de som stämmer med accepterad naturvetenskap och de som har ett alternativt innehåll, fick för vad och hur eleverna lärde sig om galvaniska element. På motsvarande sätt studerade jag också (2) vilken betydelse undervisningsmaterialet som eleverna arbetade med, särskilt de galvaniska elementen och begreppskartorna som eleverna byggde, fick för deras lärande. Det finns en omfattande forskning om elevers förståelse av naturvetenskapens fenomen, begrepp och teorier. Denna konstruktivistiskt inriktade forskning visar att elever i intervjuer och skriftliga test ofta uppvisar alternativa idéer om hur världen fungerar, d v s idéer som inte stämmer med accepterad naturvetenskap. Om elever intervjuas igen efter att ha fått undervisning i ett naturvetenskapligt område, fortsätter många ändå att resonera på sätt som skiljer sig från de accepterade naturvetenskapliga förklaringarna. Utifrån hur elever resonerar om naturvetenskapliga fenomen i sådana intervjuer och skriftliga test har den konstruktivistiska forskningen dragit slutsatser om vilka svårigheter elever har medan de är i färd med att försöka lära sig naturvetenskap i klassrummet, liksom hur lärare bör gå tillväga för att stödja elevernas lärande. En viktigt slutsats från denna konstruktivistiska forskning är att elevernas alternativa idéer utgör avgörande hinder för deras möjligheter att lära sig skolans naturvetenskap. En lika central slutsats är att undervisningen därmed i första hand bör inriktas på att identifiera och arbeta med elevernas alternativa idéer, för att på så sätt åstadkomma en förändring av dessa i riktning mot de accepterade naturvetenskapliga förklaringarna. Det finns också en hel del studier av hur elever förhåller sig till den speciella materiel som ofta förekommer i skolans naturvetenskap. Det har visat sig att elever tenderar att främst koncentrera sig på att hantera mätapparatur och övrig utrustning, medan de naturvetenskapliga idéer som eleverna förväntas fundera kring ofta kommer i skymundan. Enligt denna forskning leder denna fokus på undervisningsmaterialet till att eleverna inte lär sig det naturvetenskapliga innehåll som var avsikten med aktiviteten. En viktig slutsats för undervisning är därför att lärare bör minimera elevernas interaktioner med apparatur och annan materiel och istället rikta elevernas uppmärksamhet mot de naturvetenskapliga idéer som de ska lära sig. Vanligen har frågor om hur elever gör för att lära sig naturvetenskap undersökts genom att beskriva deras handlingar i klassrummet. Detsamma gäller studier av hur lärare gör för att hjälpa elever att lära sig naturvetenskap under en aktivitet. Vad eleverna lär sig under dessa aktiviteter har däremot främst studerats genom att placera eleverna i helt andra aktiviteter, såsom intervjuer eller skriftliga test. Lärandet har med andra ord oftast studerats indirekt, efter att undervisningen har upphört. Den här uppdelningen mellan studier av elevers och lärares handlingar å ena sidan, och vad elever lär sig å den andra, gör att vi i själva verket vet ganska lite om vilken roll naturvetenskapliga idéer, liksom det undervisningsmaterial eleverna interagerar med, spelar för hur deras resonemang utvecklas under en klassrumsaktivitet. Det är också glest med studier som kan peka på samband mellan särskilda aspekter av en klassrumsaktivitet i naturvetenskap och elevers lärande av ett visst innehåll. I den här avhandlingen studerade jag elevernas lärande i handling, d v s medan eleverna var engagerade i aktiviteter i skolans naturvetenskap. Jag gjorde det genom att analysera elevernas lärande diskursivt. Det innebär dels att jag beskrev och analyserade hur deras resonemang utvecklades under en aktivitet, dels att analyserna skedde utifrån syftet med aktiviteten och i relation till de olika delar av aktiviteten som blev aktuella i elevernas resonemang medan de arbetade med uppgiften. För att undersöka vilken roll möten med alternativa idéer i elektrokemi har för hur elevernas resonemang utvecklas under en aktivitet, spelade jag in 16 elever när de parvis arbetade med en laboration om galvaniska element (paper I). Jag identifierade möten med tre alternativa idéer i elektrokemi, vilka upprepade gånger påvisats i tidigare intervjustudier. Enligt de rådande modellerna för lärande i naturvetenskap borde dessa alternativa idéer ha utgjort hinder för lärandet. Eleverna borde dessutom varit obenägna att ändra sina resonemang. Men inte i något av fallen i min studie utgjorde dessa möten hinder för elevernas fortsatta resonemang. Vidare kom de alternativa idéerna in som möjligheter eller frågor, och eleverna ändrade sina resonemang upprepade gånger under aktiviteten. I enstaka fall utgjorde ett möte med alternativa idéer till och med en resurs snarare än ett hinder för deras fortsatta resonemang. Resultaten motsäger därmed de förutsägelser om hur alternativa idéer inverkar på elevers lärande som gjorts utifrån intervjustudier. Men när jag gjorde motsvarande analys på elevernas resonemang medan de konstruerade en begreppskarta visade det sig att möten med alternativa idéer i något större utsträckning utgjorde hinder för lärandet (data från paper III, men inte redovisade där). De här resultaten antyder att betydelsen av alternativa idéer för elevers lärande kan bero på i vilka situationer de aktualiseras som delar av elevernas resonemang. Huruvida möten med alternativa idéer inverkar negativt, inte alls, eller till och med positivt på elevernas fortsatta lärande verkar inte enbart bero på i vilken utsträckning idéerna överensstämmer med accepterad naturvetenskap, utan också på vilka konsekvenser de får i aktiviteten. Och dessa konsekvenser kan uppenbarligen variera mellan till exempel en laboration och en mer teoretisk aktivitet, såsom att bygga en begreppskarta utifrån en tecknad figur av ett galvaniskt element. Utifrån samma empiriska material undersökte jag på motsvarande sätt vilken betydelse möten med det riktiga galvaniska elementet fick för elevernas resonemang (paper I och II). Det visade sig att elevernas resonemang tog nya riktningar som ett resultat av hur de handskades med enskildheter och tillfälligheter i dessa möten. Vidare visar mina resultat att eleverna behövde lära sig att benämna och urskilja enskilda detaljer och tillfälligheter som deras möten med elementet aktualiserade. Det var också viktigt för dem att reda ut frågor som har att göra med mätningar, t ex varför voltmetern visade antingen ett positivt eller negativt värde, och korrelationer, t ex hur spänningen i elementet förändrades med tiden. För att kunna resonera om det galvaniska elementet behövde eleverna således inte bara lära sig naturvetenskapliga begrepp och idéer. Eleverna behövde även få ett taxonomiskt intresse och ett intresse för mätningar och korrelationer tillgodosedda för att kunna resonera om sitt galvaniska element. I vissa fall verkar det som om eleverna främst behövde lära sig huruvida vissa enskildheter och tillfälligheter i möten med elementet är relevanta eller inte för att resonera om hur elementet kan generera ström. Men i andra fall är det tydligt att det fanns aspekter i mötena med elementet som en erfaren lärare eller kemist skulle betrakta som irrelevanta för en förklaring av hur elementet fungerar, men som ändå utgjorde viktiga delar av elevernas resonemang. Utan dessa enskildheter och tillfälligheter, som eleverna alltså spontant inkluderade i sina resonemang, är det möjligt att resonemangen skulle blivit mindre relevanta och mindre intressanta. Dessa resultat möjliggör för lärare och beslutsfattare att reflektera över vad som utgör viktiga delar av ett naturvetenskapligt innehåll, inte enbart utifrån vad som är accepterad naturvetenskaplig kunskap utan även utifrån vilka delar av en lärandesituation som blir väsentliga för eleverna själva medan de faktiskt engagerar sig i detta lärande. Jag jämförde också fyra par elever som arbetade med en laboration om galvaniska element med fyra par som arbetade med att bygga en begreppskarta utifrån en tecknad figur över samma element (paper III). Jag ville på det sättet undersöka på vilka sätt, och i vilken utsträckning, elever interagerar med naturvetenskapliga idéer och det särskilda undervisningsmaterialet i två aktiviteter, av vilka den ena är mer praktiskt (laborationen) och den andra mer teoretiskt (begreppskarteövningen) inriktad. Här visar mina resultat att eleverna i båda aktiviteterna i stor utsträckning ägnade sig åt att bara resonera kring elementet eller begreppskartan, utan att göra några direkta kopplingar till naturvetenskapliga idéer. Att elever inte kopplar samman undervisningsmaterialet med de naturvetenskapliga idéerna tycks således inte vara ett fenomen som är begränsat enbart till praktiskt arbete i laborationer. Mina resultat visar att även en mer teoretisk uppgift kan innebära att elever primärt ägnar sig åt andra delar av aktivteten än de naturvetenskapliga idéerna. Samtidigt visar mina resultat att naturvetenskapliga idéer och undervisningsmaterialet emellanåt faktiskt samverkade för att ta elevernas resonemang vidare. Det skedde emellertid på lite olika sätt i de två aktiviteterna. Det är därför möjligt att betrakta olika naturvetenskapliga aktiviteter i skolan som komplementära, när det gäller hur elever lär sig att interagera med naturvetenskapliga idéer och med det undervisningsmaterial som förekommer. Resultaten antyder att man bör vara försiktig med att anta vilka möjligheter och problem för lärande som en viss aktivitet erbjuder enbart med utgångspunkt från dess form. Detaljerade studier som denna, där elevernas interaktioner med olika delar av en aktivitet analyseras tillsammans med deras lärande medan verksamheten faktiskt pågår, behövs för att mer i detalj peka på samband mellan vad eleverna gör med undervisningsmaterialet och vad de lär sig under aktiviteten. Resultaten från mina två första studier (paper I och II) antydde att de specifika och tillfälliga inslagen i elevernas möten med det galvaniska elementet är viktiga för lärandet, medan möten med alternativa idéer inte automatiskt var en avgörande faktor för vad eleverna lärde sig, särskilt inte i laborationen. Vidare hade jag beskrivit två sätt, utöver att ta till generella kunskaper i elektrokemi, som eleverna använde för att resonera om sitt galvaniska element, nämligen taxonomiska utredningar samt utredningar om mätningar och korrelationer i elementet. I min sista studie (paper IV) undersökte jag därför vilka konsekvenser det fick för enskilda elevers resonemang kring ett galvaniskt element, om jag i samtal med dem (a) riktade deras uppmärksamhet mer mot enskildheter och tillfälligheter i elementet än mot de generalla naturvetenskapliga förklaringarna, samt om jag (b) riktade deras uppmärksamhet mer mot utredningar om taxonomi och korrelationer i elementet än mot mer begreppsliga utredningar. Jag såg tre olika typer av konsekvenser för elevernas resonemang. Utredningarna fick konsekvenser för elevernas möjligheter att (1) förklara hur elementet fungerar, (2) göra kopplingar mellan olika beskrivningsnivåer i kemi (t ex mellan makroskopiska och submikroskopiska beskrivningar) samt (3) uppfatta vad som skedde i elementet. Det verkar som om elevers svårigheter med att förklara ett naturvetenskapligt fenomen inte alltid, eller enbart, beror på svårigheter med de begrepp och idéer som ingår i dessa förklaringar. Mina resultat visar att elever kan utveckla sina förklaringar av galvaniska element även genom att göra utredningar som inte är direkt kopplade till dessa förklaringar. På ett mer allmänt plan antyder studien att det skulle kunna vara möjligt för en lärare att använda sig av detaljerade analyser av hur vissa elever går tillväga för att lära sig ett naturvetenskapligt innehåll, som en möjlig grund för nya interaktioner med andra elever. Utifrån resultaten av de fyra studierna (paper I IV) formulerade jag tre hypoteser om hur lärare kan stödja elevers lärande i naturvetenskap. Hypoteserna är alla relaterade till det faktum att enskildheter och tillfälligheter spelade en väsentlig roll i elevernas resonemang om galvaniska element. Jag föreslår därför att lärare i naturvetenskap kan ta hänsyn till detta i sina interaktioner med elever i klassrummet, genom att (1) använda enskildheter och tillfälligheter som medel för att hjälpa elever med syftet att lära sig förklara fenomen mer naturvetenskapligt, (2) använda enskildheter och tillfälligheter som mål i sig själva, d v s låta dem inkluderas som relevanta delar av elevernas resonemang i den utsträckning som de aktualiseras av eleverna själva, samt (3) lära eleverna att handskas kompetent med enskildheter och tillfälligheter i olika situationer. Hypoteserna är inte generaliseringar i den bemärkelsen att de uttrycker mönster som gäller allmänt för elevers lärande i naturvetenskap. Hypoteserna är snarare generaliseringar i så motto att de, utifrån detaljerade analyser av elever resonemang inom ett visst område och i vissa situationer, uttrycker möjliga konsekvenser för lärares interaktioner med elever i naturvetenskapliga aktiviteter i skolan. Som sådana utgör de förslag till nya studier, där dessa konsekvenser kan undersökas inom andra ämnesområden i skolans naturvetenskap, liksom i andra undervisningssammanhang (t ex helklass). Sammantaget pekar resultaten i den här avhandlingen på hur enskildheter och tillfälligheter som aktualiseras i en aktivitet, på olika sätt utgör väsentliga delar av elevers resonemang i skolans naturvetenskap. Generella beskrivningar av hur elever resonerar om ett naturvetenskapligt fenomen i t ex intervjusituationer, utgör inte tillräckligt underlag för att förstå vilka problem eleverna behöver lösa medan de är i färd med att lära sig ett naturvetenskapligt innehåll i klassrummet. Inte heller är det tillräckligt att eleverna lär sig de accepterade naturvetenskapliga idéerna för att de ska kunna resonera kompetent i olika situationer. För att mer komplett beskriva lärandet i klassrummet behöver vi ta hänsyn även till de enskildheter och tillfälligheter som eleverna möter i en situation. Eleverna behöver också lära sig att handskas med dessa enskildheter och tillfälligheter, antingen genom att se hur de faktiskt kan inkluderas i ett naturvetenskapligt resonemang, eller genom att se vilka delar som är relevanta att inkludera ur en naturvetenskaplig synvinkel. Slutligen är det inte självklart att lärare i naturvetenskap i första hand ska identifiera och arbeta med elevernas alternativa idéer. Vid sidan av dessa idéer spelar enskildheter och tillfälligheter en viktig roll i elevers resonemang, och utgör därmed kompletterande och potentiellt produktiva resurser som en lärare kan använda för att stödja elevers lärande i naturvetenskap.

Contingency in high-school students reasoning about electrochemical cells: Opportunities for learning and teaching in school science

The thesis takes its departure from the extensive literature on students alternative ideas in science. Although describing students conceptual knowledge in many science areas, the literature offers little about how this knowledge enters into the science learning process. Neither has it focused on how particulars and contingencies of curricular materials enter into the learning process. In this thesis I make high-resolution analyses of students learning in action during school science activities about real or idealized electrochemical cells. I use a discursive mechanism of learning developed to describe how students become participants in new practices through slow changes in word use. Specifically, I examine how alternative and accepted scientific ideas, as well as curricular materials, enter into students reasoning. The results are then used for producing hypotheses over how a teacher can support students science learning. Alternative ideas in electrochemistry did not necessarily interfere negatively with, and were sometimes productive for, students reasoning during the activities. Students included the particulars and contingencies of curricular materials in their reasoning not only when interacting with a real electrochemical cell but also in a more theoretical concept mapping activity about an idealized cell. Through taxonomic and correlational investigations students connected the particulars and contingencies of the real electrochemical cell to the generic knowledge of electrochemistry. When actively introduced by the researcher, such investigations had consequences for how single students framed their explanations of a real electrochemical cell. The results indicate ways in which teachers may encourage the productive use of contingencies to promote learning within the science classroom. However, this may require consideration of what students say in terms of consequences for their further learning rather than in terms of correct or incorrect content.