Modeller og modellering i naturfag Jørgen Løye Christiansen John Anderson Lars Bo Kinnerup Mari-Ann Skovlund Jensen Karin Lilius Dorrit Hansen Big Bang-konferencen 2.-3. april 2019
Intro 2
Baggrund 3
I samarbejde med naturfagslærere i udskolingen på 11 udvalgte folkeskoler på Sjælland har vi søgt at afdække, hvordan der arbejdes med modeller og modellering i biologi, fysik/kemi og geografi.
Processen - litteraturreview - begrebsafklaring - kontakt til skoler - interview med lærere - undervisningsforløb / observationer i klasserne - elevinterview - evalueringssamtaler - udfordringer 5
Modeller i naturfagsundervisningen 1. Vi vil afdække hvordan der arbejdes med modelbegrebet i undervisningen: a) blandt lærerne og mellem fagene b) som støtte for elevernes indre forestillinger c) som metode/måde at udtrykke sin viden og forståelse på d) til at perspektivere/skelne mellem model og virkelighed 6
Modeller i naturfagsundervinsingen 2. Vi vil i samarbejde med lærerne udvikle og afprøve undervisning, der kan stilladsere elevernes arbejde med at udvælge, afkode, vurdere, anvende og udvikle modeller. 7
Styredokumenter udvælgelse afkodning vurdering anvendelse udvikling 8
9
Hvad er en model? Hvad er modellering? 10
Hvad er en model? Models are representations of a selected part or aspect of the world (Frigg & Nguyen, 2017, p. 51). Populært kan det udtrykkes som; en model er noget der repræsenterer noget andet. Modellen er derfor en Stand-in, for forhold i den virkelige verden (target), man ønsker at blive klogere på. 11
Hvad er en model? Hvorvidt noget er en model eller ej, afhænger af hvordan den forstås og anvendes, snarere end hvilke iboende egenskaber den besidder (Taber, 2017). Modeller har en intentionalitet. Modeller laves altså med henblik på noget, og kan ikke ses løsrevet fra denne intentionalitet. En model er en mediator mellem target og bruger 12
Hvad er en model? Er dette en model? Er det en naturfaglig model? 13
Typer af modeller De naturfaglige modeller kan grupperes på talrige måder. Mentale modeller og materiale modeller (Chamizo, 2013) Mentale modeller, konceptuelle modeller og fysiske modeller (Ornek,2008) Konceptuelle modeller, fysiske modeller og numeriske modeller (Bokulich & Oreskes, 2017) Skalamodeller, analoge modeller, matematiske modeller, teoretiske modeller og mønstermodeller, (Black, 1962) Skalamodeller, Pædagogiske, Ikon- og symbolmodeller, Matematiske modeller, Teoretiske modeller, Kort, diagrammer og tabeller, Koncept-procesmodeller, Simuleringer, Mentale modeller og Syntetiske modeller (Harrison & Treagust, 2000). 14
Typer af modeller til anvendelse i grundskolen (baseret på Hannisdal & Ringnes, 2003) Konkrete modeller Symbolmodeller Verbale modeller Illustrationsmodeller Simuleringsmodeller Objekt (Bondegård)? Fænomen (Nedbør) Proces (Fotosyntese) System (det geologiske kredsløb) Det geologiske kredsløb er ligesom en stor karrusel, hvor. 15
Da modeller per definition er ikke definitiv sande, bør man ikke tale om rigtige eller forkerte modeller, men kun om gode eller dårlige modeller. 16
Hvorfor modeller? Model som mål eller middel? Modeller bruges til at forstå verden og/eller til at kommunikere et syn på verden til andre. I en undervisningssituation er modeller derfor værktøjer, der skal hjælpe eleven til bedre at kunne forstå verden, eller til at kommunikere en forståelse af verden til andre. 17
Hvad er modellering? Endelsen ing (jf. modellering) henviser til en handling eller proces. Derfor er modellering fortrinsvis den proces, hvor data behandles (handling) og resulterer i en model. Altså modeller bliver til via modellering. Louca & Zacharia, 2012 Christiansen, 2013 18
Hvad er modellering? Modeller kan være en del af undersøgelseskompetencen, hvor modeller anvendes til at tilvejebringe data. Modellering er ifølge Christiansen (2013) selve den proces, der ligger mellem data og model, inkl. de tanker, overvejelser, argumenter m.v. der inddrages i fasen. Dette betyder at vi enten: (1) må acceptere at brug af modeller i visse sammenhænge ikke er en del af modelleringskompetencen, eller (2) lade modelleringskompetencen redefinere til at inkludere enhver brug af modeller og således have væsentlige overlap til hhv. undersøgelseskompetencen og perspektiveringskompetencen. 19
Modellering - eksempler fra lærerinterview Når jeg arbejder med modeller er det primært fysiske modeller, modeller hvor jeg kan vise noget analoge modeller og ikke så meget eh, det bliver ikke så meget modellering, som jeg forstår det i matematik, med excel-ark og hvor vi opskalerer noget, så det er meget sådan nogle modeller, hvor man bruger dem til at illustrere noget teoretisk. Efter jeg har vist nogle videoklip og forklaret lidt og de selv har læst, så skal de omsætte det hele til deres egen model. (...) elever skal lave en fysisk forstørret celle (...) så ser de cellen rumligt i stedet for todimensionelt (...) deres opgave er at genfortælle den viden de har læst sig til og så koble det på denne fysiske ting de har mellem hænderne (...) forskel på om de bare skulle læse en hel masse eller om de skulle gøre noget med modellerne undervejs, sammenholde læst viden med modellen, altså, fx. hvad viser pilene? 20
Modeltyper i anvendelse - resultater fra lærerinterview Konkrete modeller Verbale modeller 100% 100% 83% 42% 25% Illustrationsmodeller Symbolmodeller Simuleringsmodeller 21
Modeller og modellering - resultater fra lærerinterview Oversigt over i hvilken grad modelleringskategorierne fra styredokumenterne indgår i naturfagsundervisningen - efter lærernes egne opfattelser og erindringer. 22
Modeller og modellering på udvalgte skoler Eksempler fra 7. klasse om istiden observationer af undervisning over fire uger á 2 lektioner 2 2. m a r t s 2 0 1 Eksempler fra fællesfagligt tema Energi/Bæredygtig energiforsyning i 9. hhv. 8. kl. observationer af præsentationer Eksempler fra 9. klasse om fællesfagligt tema Stråling fra omgivelserne observationer af undervisning over tre uger á 2 x 2 lektioner
Om istiden i 7. klasse - en gletsjerrand Hvad udtrykker eleverne sig om? 24
Om istiden i 7. klasse - forståelse af randmoræne? Begrebskort og lærerdemonstration 25
Om istiden i 7. klasse - forståelse af randmoræne? Randmoræne og et dødislandskab under udvikling 26
Om istiden i 7.klasse - at få perspektiv på Uddrag fra observationsloggen: LÆ indleder demonstrationsøvelse om istykkelsen over (lokal)-området. En El, der er ca 170 cm høj kommer til tavlen og bliver bedt om at holde et hvidt karton på hovedet. Kartonnet er overkanten af isen. El s højde svarer ca. til 1:1000 af istykkelsen over (lokal)-området, da isen havde sin største udbredelse under seneste istid. Ved El s fod placeres matadorhuse, der er ca. 1 cm høje og svarer dermed også ca. til størrelsen i skala 1:1000. 27
Fællesfagligt tema Energi/Bæredygtig energiforsyning Observationer af fremlæggelser, 19 elever fordelt på 7 grupper i 9. klasse og 18 elever fordelt på 6 grupper i 8, klasse Elevernes anvendelse af modeller i deres præsentationer 9. kl 8. kl Billeder/modeller helt fraværende 1 Billeder/modeller tjener kun som baggrund for præsentationen 1 1 Der henvises til modeller som illustrationer af det, der redegøres for 3 4 Modeller er en aktiv del af præsentationen, oftest som udgangspunkt for redegørelser og forklaringer Modeller er en aktiv del af præsentationen, manipulering og fremskrivning af udvikling 1 1 1 28
Stråling fra omgivelserne i 9. klasse - en øvelse Lav en undersøgelse der viser om vanddamp og CO2 er bedre end atmosfærisk luft til at absorbere stråling og omdanne strålingsenergi til varmeenergi 29
Stråling fra omgivelserne i 9. klasse - problemstillinger Fem tematiseringer: Hvordan kan vi udnytte solens stråler bedre i fremtiden? Hvilke trusler/muligheder for vores levevilkår rummer solens stråling? Hvorfor er radioaktiv stråling farlig for levende organismer? Er atomkraft løsningen på verdens klimaproblemer? Skal vi bestråle vores fødevarer? 30
Stråling fra omgivelserne i 9. klasse - valg af model. 31
Stråling fra omgivelserne i 9. klasse - modeller er svære! Fra observationsloggen ifb. med fremlæggelser: Læ spørger om det er en god model. El svarer ja, men den kræver meget forståelse. Læ spørger om modellen viser det, der redegøres for? El svarer nej, vi har hentet baggrundsviden andre steder. El bemærker, at modellen kræver en del baggrundsviden for at forstå den. Læ spørger til problemstillingen og hvordan modellen kan understøtte arbejdet med denne? El svarer at modellen ikke giver et direkte svar, men er baggrundsviden for arbejdet med problemstillingen. 32
Anbefalinger Figur af denne type kunne anvendes i naturfagsundervisningen, for at gøre eleverne mere bevidste om modeltyper og deres target. Konkrete modeller Symbolmodeller Verbale modeller Illustrationsmodeller Simuleringsmodeller Objekt)? Fænomen Proces System 33
Litteratur Black, M., (1962). Models and metaphors: studies in language and Philosophy. New York: Cornell University Press. Bokulich, A. & Oreskes, N. (2017). Models in the Geosciences. In Magnani, L. & Bertolotti, T. (eds.), Springer Handbook of Model-Based Science. Springer International Publishing, 891-911. Chamizo, J.A. (2013). A new definition of models and modeling in Chemistry s teaching. Science & Education, 22:7. 1613-1632. DOI: 10.1007/s11191-011-9407-7 Christiansen, J.L. (2013). Kompetenceorienteret naturfagsundervisning. I Christiansen, J.L., Hansen, N.J., Madsen, J. & Lindhardt, B. (red.): KOMPIS - Kompetencemål i praksis. Et udviklings- og forskningsprojekt i dansk, matematik og naturfag 2009-2012. University College Sjælland; 29-39. Frigg, R. & Nguyen, J. (2017). Models and Representation. In Magnani, L. & Bertolotti, T. (eds.), Springer Handbook of Model-Based Science. Springer International Publishing, 49-102. Harrison, A.G. & Treagust, D.F. (2000). A typology of school science models. International Journal of Science Education, 22:9, 1011-1026. DOI: 10.1080/095006900416884 Louca, L.T. & Zacharia, Z.C. (2012). Modeling-based learning in Science education: cognitive, metacognitive, social, material and epistemological contributions. Educational Review. 64:4. 471-492. DOI: 10.1080/00131911.2011.628748 Ornek, F. (2008). Models in Science Education: Applications of Models in Learning and Teaching Science. International Journal of Environmental & Science Education, 3:2, 35-45 Taber K.S. (2017). Models and Modelling in Science and Science Education. In: Taber K.S., Akpan B. (eds) Science Education. New Directions in Mathematics and Science Education. (s.263-278) SensePublishers, Rotterdam. DOI: 10.1007/978-94-6300-749-8_20 34