Empirisk-matematisk modellering i fysikk : Utvikling og utprøving av undervisningsopplegg for 3FY

Abstract

Sammendrag Denne oppgaven er en del av FYS 21-prosjektet og tar for seg utvikling og utprøving av undervisningsopplegg med empirisk-matematisk modellering i fysikk for tredjeklasse på videregående skole. Hensikten med å fokusere på empirisk-matematisk modellering har vært å la elevene få øvelse i å kombinere de forskjellige representasjonsformene i fysikken og å gi dem erfaring med hvordan fysikk dreier seg om å lage matematiske beskrivelser (modeller) av fenomener basert på eksperimenter. Bakgrunnen for dette er at det hevdes at noe av grunnen til at fysikkfaget oppfattes som vanskelig er at elevene har problemer med overgangene mellom de forskjellige representasjonsformene (Dolin, 2002). Målsetningen for oppgaven er: 1. Utvikle to elevforsøk med empirisk-matematisk modellering. 2. Finne ut hvordan elevene forholder seg til forsøk med empirisk-matematisk modellering. a. Hva synes elevene om forsøk med empirisk-matematisk modellering? b. Hvordan går elevene frem for å løse denne typen oppgaver? c. Hvordan resonnerer de rundt spørsmålene i oppgaven? d. Hvilket faglig utbytte har elevene av denne typen oppgaver? I arbeidet med oppgaven ble det utviklet to elevforsøk med empirisk-matematisk modellering som ble gjennomført i tre klasser ved to forskjellige skoler. Klassene ble observert mens de gjennomførte forsøkene. I forbindelse med hvert forsøk ble det holdt to fokusgruppeintervjuer ved hver skole. Datamaterialet i denne undersøkelsen består av observasjonene, 8 fokusgruppeintervjuer og noen innsamlede elevrapporter. Det første elevforsøket tok for seg hastigheten til vannstråler som rant ut av hull langs siden av en bøtte. Elevene skulle først finne hastigheten til strålene ved å bruke formlene for horisontale kast. Disse hastighetene skulle de tegne opp som en funksjon av avstanden til vannflata. Ut i fra denne grafen skulle de forsøke å modellere seg frem til en matematisk ligning som beskriver denne sammenhengen (Torricellis lov). I det andre forsøket skulle elevene komme frem til et uttrykk for kraften på en strømførende leder i et magnetfelt ved først å finne en modell for kraften som en funksjon av lengden på lederen og så finne en modell for kraften på lederen som en funksjon av strømmen gjennom lederen. Modellene for disse to lineære sammenhengene skulle så settes sammen til et samlet uttrykk for kraften på en strømførende leder i et magnetfelt. Analysen av datamaterialet ledet til følgende hovedfunn og anbefalinger: Hovedfunn: - Elevene liker å arbeide med forsøk i fysikkundervisningen, og de liker forsøk med empirisk-matematisk modellering. Samtidig har elevene ikke oppfattet den fulle hensikten med forsøkene. Dette antas å bidra til å svekke læringsutbyttet. - Elevene ser i liten grad sammenhengen mellom den matematiske modellen de velger for å beskrive et fenomen og de fysiske konsekvensene denne modellen vil ha i praksis. Det virker som om elevene ikke behersker grafer godt nok til å kunne bruke dette verktøyet i så stor grad som det er forventet av dem - Elevene resonnerer lite rundt resultatene de får og benytter seg ikke av muligheten til å diskutere resultatene med dem de jobber i lag med. De matematiske modellene de skal finne kommer i all hovedsak fra regresjon på kalkulatoren. - Så lenge læreren stiller de riktige spørsmålene og setter elevene i gang er de godt i stand til å resonnere rundt dataanalysen og diskutere resultatene de kommer frem til med hverandre. Anbefalinger: - I forbindelse med elevforsøk må det settes større fokus på lærerens rolle som tilrettelegger for resonnementer og diskusjon blant elevene. Og elevene må oppfordres til å vurdere resultatene sine og diskutere dem med hverandre. - Det bør utvikles flere undervisningsopplegg med empirisk-matematisk modellering til bruk i fysikk for tredjeklasse på videregående skole. Oppleggene må relatere seg til flere av de forskjellige temaene kurset omhandler. - Elevene må gjøres oppmerksomme på prosessmålene knyttet til elevforsøkene slik at de forstår at de også skal lære noe om arbeidsmetode når de jobber med elevforsøk. - Matematikken og fysikken i elevforsøk må integreres bedre slik at elevene ikke kan løse oppgavene uten å måtte forholde seg til begge fagfeltene samtidig.