Naturfagsdidaktiske problematikker Elever, Naturvidenskab, Læring 22.marts 2011 Jens Dolin Institut for Naturfagenes Didaktik Københavns Universitet
Hvorfor naturfagsdidaktik? There is a lower bound of knowledge, below which the relationship between teacher knowledge and student performance does hold. But this lower bound is so low that it is not worth worrying about, at least with respect to algebra teachers and their knowledge of algebra. With "exposure" to courses, one can pick up an adequate amount of knowledge to be a "successful" teacher. Whether or not this holds for other grade levels is a subject for further study. But assuming that it does, and there is no reason to assume otherwise, then we, as teacher educators, should reexamine the role of grading and certifying agencies that currently guard the entrance to our profession. (p. 221)... The conclusion was that teacher knowledge of subject matter had little effect on student performance. (p. 222) (Eisenberg 1977. Journal for Research in Mathematics education, p. 216-222)
Tendenser i naturfagsundervisningen Vægt på naturvidenskabernes metaaspekter, nature of science, how science works Læringsbaseret naturfagsundervisning, kompetencebaseret undervisning (hvad kan/skal man lære i skolen ) Vægt på science-in-the-making, de videnskabelige processer, inquiry based science education etc. Vægt på dialog, argumentation, diskussion etc. Arbejde med motivation og interesse Udstrakt brug af netressourcer og it-værktøjer: Moodle, JiTT, Google, wiki, podcast, Skype, YouTube, Facebook, MySpace, Flickr, Second Life, Messenger Ud af huset aktiviteter, autentiske aktiviteter, tværfaglighed Koblinger mellem formelle og uformelle læringsmiljøer Øget samarbejde lokalt og regionalt Øget ydre styring (tests, politisk opmærksomhed etc.)
Tre opgaver For en konstant acceleret bevægelse med udgangshastighed v 0 til tiden 0 gælder at den tilbagelagte vejlængde i tiden t er: s t = v 0 t + ½ a t 2 Find s t når v 0 er 12 km/t, v t er 36 km/t og t er 20 sek. En cyklist kører med konstant acceleration og har et vist øjeblik farten 12 km/t. 20 sekunder senere er farten 36 km/t. Bestem cyklistens acceleration og den vejlængde, der tilbagelægges i de 20 sekunder.
Kvindernes 4x100 meter fri svømning sidste længde Forestil dig at du er sportskommentator til ovenstående svømmekonkurrence. Skriv et manuskript til disse sidste 100m og indtal det! (følg tiden i koo.systemet)
Hvornår har man lært naturfag? Når man kan begreberne Når man kan teorierne Når man kan regne opgaverne Når man kan tale fagsproget Når man kan begå sig i laboratoriet/udføre feltarbejde Når man kan stille de rigtige spøærgsmål Når man kan bearbejde hverdagslivets problemstillinger som involverer naturvidenskab
Centrale sammenhænge Love og regler Dannelse/kvalifika -tion/kompetence Hvad er formålet med fysikundervisningen? Traditio ner Hvad vil det sige at lære? Læringsopfattelse Fagopfattelse Hvad er fysikfagets indhold? Hvordan foregår læring? Læringsteorier Hvordan læres fysik? Emnevalg Undervisningens tilrettelæggelse Evalueringsfor mer Arb. former Uv. miljø Elev ansvar Lær erpo sitio ner
Forskellige forestillinger om læring Hvad vil det sige at lære noget?
Forskellige forestillinger om læring Hvad vil det sige at lære noget? På tværs af alder og område kan svarene kategoriseres: 1. Kvantitativ forøgelse af viden 2. At kunne huske og reproducere 3. At kunne tilegne sig og anvende viden 4. At kunne forstå 5. At ændre sin viden og derigennem sin tolkning af verden 6. At ændre sin tolkning og derigennem ændre sig som person Der er en tæt sammenhæng mellem forestillingerne om læring og (ofte ubevidst) valg af studiestrategi: Forestillingerne om læring er med til at bestemme læringsresultatet!
Tre grupper af kognitive arbejdsformer Al kognitiv læringsaktivitet kan (vistnok) inddeles i tre kategorier: Repetition: Det som skal læres gentages i relativ uforandret form (mundtlig genfortælling, understregning, afskrift, ) Omorganisering: Det der skal læres organiseres på en ny måde. Hjælper med til at overføre viden til langtidshukommelsen og skaber sammenhæng i stoffet (sortere, hierarkisere, konstruere begrebskort, ) Viderebearbejdning: Går videre end, bag om, den givne viden og den ny information (meddigtning, indlevelse, rollespil, casearbejde, projektarbejde, formidlingsopgaver, tænkespørgsmål, )
Begrebskort er en visualisering af sammenhænge mellem de begreber og øvrige forhold som konstituerer et fagligt felt. Sammenhænge/love forbinder Fysiske størrelser udtrykkes ved Fysisk formel har har kan være Størrelse hører sammen Enhed Lineær sammenhæng specielt Proportionalitet fx F=mg fx m=ρv
Begrebskort - lærer eleverne at finde nøglebegreber i en tekst og at identificere relationer mellem dem - er et redskab til at diskutere meninger om stoffet, opøver et sprog om begreberne - ved arbejdet visualiseres begreber og deres indbyrdes relationer hvilket letter hukommelsen af dem - giver overblik over om man har glemt eller misforstået noget - ofte opdages ved opbygningen nye relationer og meninger - eleverne konstruerer selv deres forståelse frem for at reproducere bogens eller lærerens - ved omstrukturering af kortet gives tid til yderligere refleksion, dvs. øget fortrolighed med begreberne, dvs. øget erkendelse.
Forskellige natursyn Først i oplysningstiden i 1700-tallet vinder det mekaniske natursyn frem. I overensstemmelse med Newtons opstilling af naturlove opfatter den nye naturvidenskab naturen som en maskine
Dynamisk natursyn: Naturen skal ikke beskyttes i menneskefrie reservater, men så mange som muligt skal have mulighed for at bruge den, uden at den bliver mere nedslidt end den er i dag.
I starten af 1900-tallet og især i 1930 erne kom det funktionalistiske natursyn til. Med industrialiseringen kommer der for mange en opsplitning mellem arbejde og fritid, og den øgede urbanisering nødvendiggør en planlægning for at tilfredsstille menneskers behov for grønne områder Department of Science Education
Konstruktivistisk læring Eksisterende viden tolker modificerer Ny information Nye fænomener Ny viden
Hvad er naturfaglig kompetence? Kompetencer forsøger at indfange det almene i faget, det, der er hævet over det konkrete indhold. Måder man arbejder med faget på på tværs af de forskellige fagdiscipliner. Færdighed i at kunne anvende naturvidenskabelig baseret viden; at kunne genkende naturvidenskabelige spørgsmål og kunne drage slutninger på grundlag af naturvidenskabelige kendsgerninger i bestræbelsen på at forstå og være med til at træffe afgørelser om den naturgivne omverden og de påvirkninger af den, som menneskers aktiviteter medfører. (PISA sc. literacy)
Naturvidenskabernes erkendeformer I praksis findes nogle karakteristiske erkendelsesformer som naturvidenskaberne i høj grad bygger på: reduktionisme kausalitet (modellering) vekselvirkning omverden-teori (empirihåndtering, eksperimenter, feltarbejde) beskrivelse, analyse, præsentation (repræsentationer) verifikation/falsifikation (videnskabsteori)
Naturfaglige kompetencer i FNU-rapporten Empirikompetence Department of Science Education at kunne observere, beskrive og klassificere at kunne eksperimentere og udføre feltarbejde (anvende måleudstyr, kende fejlkilder og usikkerhed, ) at kunne behandle data Modelleringskompetence at kunne udvælge og behandle variable at kunne bestemme kausalitet, verificere, falsificere, at kende til og kunne anvende forskellige modeller og modeltyper Repræsentationskompetence at kunne bruge de forskellige repræsentationer for naturens fænomener og kende deres styrker og svagheder at kunne skifte mellem de forskellige repræsentationsformer Perspektiveringskompetence at kunne perspektivere naturvidenskabelig viden og naturvidenskaben selv
Kompetenceprogression gennem skoleforløbet Department of Science Education Kompetence til at anvende faget selvstændigt, komplekst og i praksissammenhæng Kompetence til at kunne perspektivere naturfagene fagligt og kulturelt Kompetence til demokratisk deltagelse på et informeret, naturvidenskabeligt grundlag Kompetence til at håndtere hverdagens naturfaglige og teknologiske aspekter funktionelt Kompetence til at gribe verden ved at opleve, beskrive og undersøge Grundskolens yngste klasser Grundskolens mellemste klasser Grundskolens ældste klasser Førskoleniveau Ungdomsuddannelser Videregående uddannelser
Eksperimentel kompetence på langs i uddannelsessystemet Department of Science Education 7.-9. klasse Forstå og vurdere sammenhængen mellem data og konklusioner (fx vurdere de usikkerheder, der er ved at flere forskellige personer aflæser et enkelt termometer) At være i stand til at vurdere kvaliteten af naturvidenskabelig information på baggrund af kilde, bevisførelse og konklusionskraft Kunne udvælge og anvende det nødvendige og mest hensigtsmæssige måleudstyr til en given opgave Gradvist begynde at generalisere resultater fra ét eksperiment til det almene 1.-2. g Opstille og anvende mere komplekse eksperimentelle opstillinger/metoder. Vurdere disse opstillingers/metoders anvendelighed til den givne opgave. Tage stilling til sikkerhed og affaldshåndtering i forbindelse med eksperimentet. Forstå forskellen mellem idealiseret eksperiment og reel virkelighed, og dermed forstå eksperimentets begrænsninger. Kendskab til det naturfaglige eksperiment som et kulturelt fænomen (dvs. eksperimentets idé om verifikation/falsifikation som betingende for velfærdssamfundets udvikling) Videregående uddannelser Med baggrund i dybdegående teoretisk viden selvstændigt og under rette sikkerhedsforhold at kunne opstille, udføre, anvende, vurdere og videreudvikle eksperimentelt arbejde
Progression i emnet klima 7.-9. klasse Redegøre for Jordens inddeling i klimazoner og plantebælter. Placere de væsentligste elementer i det globale vindsystem på verdenskortet. Anvende enkle begreber i beskrivelse af vejr og klima. Kunne skelne mellem naturlige klimasvingninger og samfundenes påvirkning af Jordens klima. Kunne foretage enkle geografiske undersøgelser, herunder vejrobservationer, i lokalområdet og på ekskursioner 1.-2. g Kunne bruge det primære vindsystem til forståelse af regionale og globale variationer i temperatur og nedbør. Kunne aflæse og anvende hydrotermfigurer. Kunne aflæse vejrkort. Videregående uddannelser Kunne foretage avancerede beregninger og modelbetragtninger
Kompetencespringet Hvad skal eleverne vide og hvad skal de gøre for at opnå dette? Hvad skal eleverne kunne gøre og hvad skal de vide for at kunne dette?
To scenarier for f/k-undervisning Formål: At lære 1. (og 2.?) hovedsætn At kunne konvertere mellem forskellige energiformer En undervisningssekvens Lektie: Lærebog side 32-37. - læreren/eleverne spørger til forståelsesproblemer - gruppearbejde om udvalgte opgaver - øvelser om vands varmekapacitet - klasseopsamling Ny Lektie: Aflevere opgave 2.1, 2.4 og 2.5. Læse s. 37-43 i lærebog. Samlet produktkrav: Løsning af 2 opgave-sæt og aflevering af fysikrapport. Emne: Energi Department of Science Education Formål: At overbevise en husejer om konkrete energibesparelser En undervisningssekvens Lektie: Individuel undersøgelse af eget hus energiforbrug. - sml. resultaterne i grupper - valg af hus - påbegynd opstilling af model for et hus energiflow Ny lektie: Søgning efter nødvendig faglig viden (energiflowmåder, k- værdiberegning, ) Samlet produktkrav: Udarbejde informationsfolder til husejer. Overordnet formål: At lære fysik/kemi Overordnet formål: At lære at forholde sig til autentiske problemer med fysisk/kemisk indhold
Undervisningsmæssige konsekvenser En undervisning, der retter sig mod elevernes kompetenceudvikling, er karakteriseret ved arbejde med komplekse problemstillinger lærerstøttet opdagelse (fra få til mange frihedsgrader) problemorientering åbne spørgsmål (usikkerhed og tvivl) høj elevaktivitet gruppeorganisering (praksisfællesskaber) En sådan undervisning kan siges at være udforskningsbaseret og fællesskabsorganiseret.
En kompetencefremmende naturfagsundervisning lægger vægt på science-in-the-making, de videnskabelige processer, frem for ready-made-science er undersøgelsesbaseret, inquiry based science education, problem based, innovativ etc. inddrager naturvidenskabernes metaaspekter, nature of science, how science works arbejder med kontroversielle problemstillinger med naturvidenskabeligt indhold (klimaændringer, genmanipulation, a-kraft, ) lægger vægt på dialog, argumentation, diskussion etc. gør udstrakt brug af netressourcer og it-værktøjer: Moodle, JiTT, programmel, Google, wiki, podcast, Skype, YouTube, Facebook, MySpace, Flickr, Second Life, Messenger kobler forskellige læringsmiljøer (skolen, museer, virksomheder, myndigheder, organisationer )
Udgangspunkter 1. At lære naturvidenskab er at lære naturvidenskabens sprog. I den forstand er alle lærere sproglærere 2. Naturvidenskabssproget er forskelligt fra hverdagssproget. Der er ikke kun tale om sproglige problemer, men også kulturelle 3. Sproget (det skrevne og talte) er kun en blandt mange repræsentationer (modaliteter) af viden. Især naturvidenskaberne betjener sig af mange fagspecifikke repræsentationsformer (diagrammer, modeller, formler, praktisk arbejde, gestik etc.) som også skal sprogliggøres.
Sprogets betydning Sprogets struktur er ikke en enkel afspejling af tankens struktur En tanke som omsættes i sprog omstruktureres og forandres. Tanken bliver ikke udtrykt i ordet, den bliver til gennem ordet. (Vygotsky 1971).
Konstruktion af naturvidenskabelige forklaringer Ifølge Ogborn et al (1996) er en forklaring en særlig historie, som bygger på et sæt af aktører/hovedrollehavere, som i naturvidenskab oftest ikke er personer, men begreber. normalt forudsætter, at det er klart, hvad den enkelte aktør er og kan. indebærer en serie af hændelser, hvor aktørerne gør noget af det de kan hændelserne har en konsekvens eller et udfald i overensstemmelse med naturen af aktører og hændelsesforløbet. Her indføjes et element af årsagvirkning til den forklarende historie. Hverdagsforklaringer består af kendte ting der udfører kendte aktiviteter. Naturvidenskabelige forklaringer består ofte af ukendte størrelser som gør ukendte ting, og eleven er en fremmed i en fremmed verden. Derfor hænger mange forklaringer i naturfagsklassen ikke på forklaring af fænomener, men på forklaring af ressourcer som eleven har brug for til at forklare fænomenet.. (Ogborn et al., p. 13). Naturvidenskabelige forklaringer først bliver mulige og meningsfulde, når man har konstrueret de nødvendige entities, dvs. har det nødvendige minimum af klarhed over, hvad de enkelte begreber er og kan: Before we can explain respiration we have to tell about lungs, blood, oxygen, carbon-dioxide and hemoglobin. (p.13)
Brug af fagsprog fremmes ved at give eleverne mulighed for at praktisere naturfags-snak (tale i længere tid, skrive mere, stille spørgsmål, diskutere indbyrdes) lære eleverne hvorledes de kombinerer fagbegreber og bruger fagsprog (udpege specielle fagvendinger, fokusere på nøglebegreber, lave begrebskort, omformulere fagudsagn) diskutere elevernes hverdagsopfattelser af emnet (få alle til at formulere deres egen opfattelse, relatere til etableret fagsprog) lære eleverne de forskellige faglige genrer (talesproget, fagopgaver, øvelsesrapporter) bygge bro mellem hverdagssprog og videnskabeligt sprog ved at - lade eleverne udtrykke faget i deres eget sprog (beskrive med egne ord, beskrive fx figurer så ikke-fagkyndige forstår dem) - lære eleverne at beskrive hverdagsfænomener ved hjælp af fagets sprog - lade eleverne udtrykke sig om faget på ikke-logisk/deduktive måder (lave historier, tegne, agere).
Dialogisk læring Mening opstår i dialogen og samspillet mellem de talende - responsen er det aktiverende princip - forståelse forudsætter respons - dialogen konstitueres af spændingen mellem dialogpartnerne - de uafklarede sider, usikkerhederne, mulighederne åbner for de involveredes engagement og forsøg på meningstilskrivelse Det autoritative ord - hierarkisk, fjernt, kræver ureflekteret tilslutning - er der uafhængigt af eleven, the word of the fathers Det autoritative ord binder os, uafhængigt af hvilken magt det ville have til at overbevise os (Bakhtin 1981, p. 342) Det indre overbevisende ord - afsøgende, nært, en stadig udfordring til nye, selvstændige formuleringer - giver rum til fællesskabets og den enkeltes meninger, er halvt ens eget og halvt andres Den semantiske struktur af en indre overbevisende diskurs er ikke definitiv, den er åben; (Bakhtin 1981, p. 346)
Dialogisk undervisning Eleverne i det flerstemmige klasserum bliver set og hørt får en stemme får faglig tillid bliver engagerede lærer at udtrykke sin faglige indsigt skriftligt og mundtligt er i dialog med de andre elever er i dialog med læreren (efter Olga Dysthe) Lærerens rolle i den dialogiske undervisning er at stille autentiske spørgsmål stille opfølgende spørgsmål værdsætte elevsvar gøre stemmerne tydelige præcisere enighed og uenighed udfordre tydeliggøre konflikter tilføre ny information opsummere give plads til og fremme reflektion
Dialogfremmende tiltag Den indre dialog med stoffet kan fremmes gennem opøvning i notatteknik logskrivning/studiebog fokuseret forberedelse at lære at stille spørgsmål forskellige skriveteknikker Dialogen mellem eleverne kan fremmes gennem summegrupper pararbejde styret gruppearbejde aktiverende arbejdsformer (fx begrebskort) ikke-monologisk undervisning.