Innovation i fysikundervisningen Indhold: Forord (eller hvordan kan ordet innovation forstås?) Lidt mere om innovationsforståelser i stx At dreje fysikundervisningen mod mere innovation Innovativ drejning af den teoretiske undervisning: Eksempel 1: Eksempel 2: Eksempel 3: Innovativ drejning af den eksperimentelle del af undervisningen: Eksempel 1: Eksempel 2: Eksempel 3: Skabelon til mindre forløb Reverse Engineering Skabelon til større innovative forløb Eksempler på forløb hvor skabelonen kan anvendes Best Place Elbiler Bøgedal kommune Energirigtig bydel Bølgeapparat Eksempel på samarbejde med en folkeskole Samarbejde med en virksomhed Eksempler på forløb der stimulerer innovativ tankegang: Energivurdering af gymnasiet Åbne opgaver med udgangspunkt i hjemmesider Trafiksikker by Kvalitetslyd til de danske gymnasieelever Klimaforandringer 1
Forord - (eller hvordan kan ordet innovation forstås?) I bekendtgørelsen for stx står der, at undervisningen skal træne elevernes innovative evner. I AT sammenhæng er ordet innovation i stx sammenhæng blevet beskrevet, som et arbejde der bidrager med noget nyt (i en bestemt kontekst) og skaber merværdi. For at bidrage med noget nyt, skal man have en forståelse af det bestående, og også være i stand til at identificere et problem, der er mulighed for i hvert tilfælde delvist at løse. Og så skal eleverne konstruere en løsning og tilmed helst forsøge at implementere den. Dette kræver en lang række af kompetencer af eleverne eksempelvist selvstændighed, kreativitet og faglig dygtighed. Mange af de ovenstående kompetencer bliver allerede trænet i den almindelige dagligdags fysikundervisning. Fysik er et fag, hvor det eksempelvist er helt naturligt i fagets eksperimentelle arbejdsmetoder, at få eleverne til selv at finde sammenhænge, der får dem til at forstå naturen på nye måder. Det kan man sagtens kalde træning af innovative kompetencer. Dette er fint i harmoni med læreplanerne, som på B niveau stiller krav om, at eleverne kan tilrettelægge et eksperiment og på A niveau kan arbejde med en åben eksperimentel problemstilling. Selvom ovenstående nok kan kaldes træning af innovative kompetencer, så er potentialet for træning af innovative kompetencer i fysikundervisningen stadig stort. Derfor denne skrivelse. Herunder starter skrivelsen med forslag til små justeringer/ændringer, der kan give den almindelige undervisning et lidt større fokus på de innovative kompetencer. Herefter vil der blive beskrevet et par skabeloner til, hvordan man kan planlægge større eller mindre egentlige innovative forløb, og til sidst er der en del konkrete beskrivelser af større forløb. Lidt mere om innovationsforståelser i stx 1 I gymnasiet findes iflg. Hobel, Paulsen og Spanget i grove træk tre tilgange til innovation, hvor elevernes innovative evner er i forgrunden. 1 Torben Spanget Christensen, Peter Hobel og Michael Paulsen: Innovation i gymnasiet Rapport nr. 3 og 4. Gymnasiepædagogik nr. 89. Syddansk Universitet 2012. Se også: Innovationsbegrebets dialekttik i en uddannelseskontekst en strid mellem forskellige innovationsforståelser af Michael Paulsen i: Michael Paulsen og Søren Harnov Klausen: Innovation og læring Aalborg Universitetsforlag 2012. 2
1. En markedsrettet innovationsforståelse, hvor man henvender sig til det markedet med en løsning. De entreprenante elever er kreative og målorienterede og stræber mod at hitte på nye ideer, salgbare produkter og midler til at opfylde eksterne mål og værdier. 2. En alment orienteret innovationsforståelse, hvor eleverne nytænker og udvikler almene og offentlige forbedringer gennem kritisk og etisk refleksion i relation til tidens nøgleproblemer lærer at tænke anderledes og ukonventionelt i almene domæner som fx miljø, sundhed, demokrati, fattigdom mv. Her er fokus på elevernes almen dannelse og der arbejdes problemorienteret med tidens, epokale, nøgleproblemer, som kalder på nytænkning. 3. En elevfaglig innovationsforståelse, hvor eleverne lærer at tænke nyt og kreativt i forhold til faglige problemstillinger, for at kunne stille og besvare spørgsmål, der overskrider den eksisterende viden. Det gør projektet studieforberedende, idet eleverne arbejder mod at tilegne sig en dynamisk fagforståelse, hvor der tænkes fagligt nyt og anderledes. Eleverne arbejder med faglige problemstillinger, hvor der ikke gives absolutte svar og metoder, men kræves faglig nytænkning. I en stx sammenhæng vil man ofte foretrække en kombination af de sidste to innovationsforståelser, der styrker det almendannende og studieforberedende, og som undertrykker en mere merkantil eller teknologisk tilgang til innovation. 2 Det foreslås, at man nedtoner brugen af Post It sedlerne til idegenereringen, idet det viser sig, at eleverne oftest ender med at arbejde med forholdsvis konventionelle ideer i stedet for at fordybe sig i virkelige og komplekse problemstillinger. I fysik og de andre naturvidenskabelige fag har man tidligere haft stor succes med at inddrage den naturvidenskabelige faglighed i projekter, som alene hører hjemme i den faglige forståelse af innovation, fx Science Cup, Unge Forskere o.lign. Det kan man fint fortsætte med. Denne type af innovativt orienterede projekter kan dog næppe stå alene. De appellerer ikke til alle elever, og ikke alle elevtyper oplever disse opfinder projekter som positive. 2 Innovationsbegrebets dialektik i en uddannelseskontekst en strid mellem forskellige innovationsforståelser af Michael Paulsen i: Michael Paulsen og Søren Harnov Klausen: Innovation og læring Aalborg Universitetsforlag 2012. 3
At dreje fysikundervisningen mod mere innovation Her laves den grove antagelse, at fysikundervisningen ofte foregår ved at læreren introducerer et emne, og blandt andet beskriver den tilhørende teori. Der udføres eksperimenter, løses opgaver og læreren sikrer på denne måde at eleverne tilegner sig stoffet indenfor en forholdsvis kort tidsperiode. Alt afhængigt af hvilket forløb, der skal undervises i og afhængigt af elevernes forhåndsviden inden for emnet, kan man med fordel lade eleverne evt. i større eller mindre grupper generere ideer og spørgsmål, som de forbinder med emnet og undrer sig over. Det er vigtigt, at ingen idéer eller spørgsmål er uvedkommende i en sådan fase. Senere kan eleverne i samarbejde med læreren indkredse relevante og interessante spørgsmål og problemstillinger i forbindelse med emnet. Vi giver herunder små eksempler på, hvordan man ved hjælp af åbne spørgsmål relativt nemt kan dreje fysikundervisningen i en retning, der træner elevernes innovative evner. Innovativ drejning af den teoretiske undervisning: Den tænkte drejning her, går ud på, at man bruger de først 10 20 minutter af en lektion på at lade eleverne stille spørgsmål til et givet emne. I samarbejde med eleverne udvælges de spørgsmål som kan/skal besvares. Eksempel 1: Traditionelt: Brydningsloven introduceres og lysets brydning i prismer undersøges. Innovativ drejning: Eksempler på elevspørgsmål der kunne arbejdes med: Hvordan fremkommer en regnbue?, Hvordan virker øjet?, Hvordan fungerer briller og kontaktlinser?, Hvorfor bøjes lys i vand? Eksempel 2: Traditionelt: Ved transport af elektrisk energi over større afstande er effekttabet i ledningerne forholdsvis meget mindre ved høje spændinger end ved lave spændinger. Hvad skyldes det? Innovativ drejning: Eksempler på elevspørgsmål der kunne arbejdes med: Hvorfor er der noget, der hedder højspændingsledninger?, Hvorfor bliver mobilopladeren varm?, Hvad er superledning?, Hvordan opstår lynnedslag?, Hvordan virker en kogeplade med eller uden induktion? 4
Eksempel 3: Traditionelt: Det fremgår af undervisningen at vands specifikke varmekapacitet er meget større end andre stoffers. Innovativ drejning: Eksempler på elevspørsmål der kunne arbejdes med: Hvorfor kan man kun overleve ganske få minutter, hvis man falder i vandet om vinteren? Hvordan kan fodboldspillere løbe i korte bukser om vinteren? Hvordan kan ovnpladen være kold, når det nybagte brød stadig er varmt? Innovativ drejning af den eksperimentelle del af undervisningen: At dreje den eksperimentelle del af fysikundervisningen i retning mod innovation er, som nævnt, noget almindelig fysikundervisning i stor udstrækning gør allerede. Hvis man lader eleverne selv opdage de fysiske sammenhænge eksperimentelt, fungerer det samtidig som træning af elevernes innovative kompetencer. Fremgangsmåden afhænger naturligt af klasse, niveau og ikke mindst emne, men generelt er det en god ide, at lade eleverne eksperimentere så hurtigt som muligt efter at have introduceret de faglige grundbegreber. Eksempel 1: Traditionelt: Brydningsloven eftervises eksperimentelt. Innovativ drejning: Der udleveres en halvmåneformet glasklods og en laser og for at få et fælles sprog introduceres begreberne indfaldsvinkel og brydningsvinkel. Eleverne bliver bedt om selv at finde sammenhænge uden brug af internet. Eksempel 2: Traditionelt: Stående bølger undersøges ved hjælp af multivibrator, tonegenerator og snor. Innovativ drejning: Eleverne medbringer eller får udleveret forskellige musikinstrumenter og udstyr til at måle frekvenser og overtoner. Eleverne bliver bedt om at forklare forskellene mellem de forskellige musikinstrumenter og bestemme nogle sammenhænge. 5
Eksempel 3: Traditionelt: Forsøg med specifik varmekapacitet. Innovativt: To forskellige væsker opvarmes på samme måde ved hjælp af stearinlys. Eleverne bliver bedt om at forklare deres målinger. 6
Skabelon til mindre forløb - Reverse Engineering Reverse engineering kan bruges i stort set alle emner (og faktisk også stort set alle fag), og behøver ikke tage mere end 1 2 klokketimer, men skabelonen kan også sagtens bruges til større projekter. Ved denne fremgangsmåde trænes flere af de innovative kompetencer, og for den sags skyld også flere studieforberedende kompetencer. Fremgangsmåden forklares herunder vha. et par eksempler: Eleverne får udleveret en dims (eksempelvist en induktions cykellygte) Eleverne bliver bedt om at slå den i stykker/skille den ad, for at finde ud af hvordan den er bygget op samt bestanddelenes funktioner Eleverne bliver bedt om at gå i dybden og forstå i detalje én udvalgt, eller få udvalgte bestanddele (eksempelvist magneten og spolen i induktionslygten) Eleverne bliver til sidst bedt om at sætte delene sammen på en ny måde Dimsen i ovenstående beskrivelse behøver ikke være et konkret objekt, men kan for den sags skyld også være en forklaring af et naturfænomen, som man skiller ad i fysiske delelementer og grundprincipper, hvorefter man går fagligt i dybden med enkelte delelementer og eventuelt laver eksperimenter, for at forstå enkeltdele af et argument. Til sidst kan man så sammensætte de fysiske delelementer på en ny måde og forklare andre naturfænomener end det oprindelige. Herunder et eksempel til illustration af teoretisk reverse engineering Argumentationsrækken for hvordan kystklima påvirker Danmark: Eleverne får udleveret en forklaring på, hvorfor vi har kystklima i Danmark og skal herefter besvare følgende: Hvilke fysiske erkendelser og argumenter bruges for at forstå årsagen til, at vi har relativt kolde somre i Danmark? skriv de fysiske principper ned hver for sig. Forstå i dybden hvad det betyder, at noget har en varmekapacitet (eller andre dele af forklaringen, som læreren ønsker, at eleven skal forstå i større detalje). Kan man sætte nogle af de fysiske principper I skrev ned tidligere sammen på en ny måde, og finde ud af hvorfor, der kan være rigtig koldt i Sydtyskland om vinteren? 7
Skabelon til større innovative forløb Herunder et forslag til en skabelon af mere omfattende innovative forløb, som træner alle elevernes innovative kompetencer. 1) Start: Lav en veldefineret konkurrence eller opstil nogle meget klare mål: Kravene til forløbet kunne være et eller flere af følgende: Opfind en dims ud fra nogle kriterier Inddrag eksperimenter eller byg noget Inddrag relevant fysikteori Et bestemt skriftligt produkt skal afleveres efter forløbet 2) Idé generering Kan gøres ved at inddele eleverne i tilfældige grupper, udstyre dem med post its og lade dem på kort tid komme med alle mulige og umulige idéer til tanker og idéer i forbindelse med projektet. Senere ordnes alle post its ne på store plancher. Her kan man evt. søge inspiration fra fx KIE modellen eller Den Kreative Platform. Flg. link kan også kopieres og bruges: http://prezi.com/k1si5uwj94rt/?utm_campaign=share&utm_medium=copy&rc=ex0share 3) Pause Måske i 2 uger, hvor der er normal undervisning, så tankerne kan bundfælde sig, det er ofte i denne periode, at de rigtig gode idéer opstår. 4) Fortsat idé generering og præcisering Der tænkes videre på idéerne. Der tilføjes nye post its. Der udvælges de mest interessante idéer og videreudvikles på dem. Til sidst i idéfasen udvælges et vist antal idéer, der danner grundlag for projektet. Denne sidste idé genereringsfase, kan sagtens klares på 1 2 klokketimer. 5) Gruppearbejdet påbegyndes Man kan her evt. uddele bestemte roller til de enkelte elever i grupperne. Inspiration til rollefordelingen kan man bl.a. søge ved Lotte Darsø s Innovationsdiamant. 6) Forvirringsfasen Eleverne oplever ofte at være på bar bund. De kan være forvirrede, og kan have svært ved at forstå, at det er ok at fejle. Eleverne vil gerne hurtigt lukke projektet, så de ved, hvor de skal hen, og hvilken vej de kan gå. Hvis man kan hjælpe eleverne til at holde projektet åbent i en periode, kan de dumme spørgsmål blive stillet, og produktet kan som resultat blive bedre/mere anvendeligt. 8
Der indkredses følgende: Tilhørende fysikteori, eksperimentelt udstyr og udfordringer, opgavefordeling i gruppen osv. 7) Deadlines sættes Generelt er det en god idé at have faste deadlines fra starten af hele projektet, for at holde elevernes fokus skarpt. Men fra nu af er det en nødvendighed. Eleverne begynder at lave det færdige produkt. 8) Aflevering, afslutning, evt. kåring af vinder 9
Eksempler på forløb hvor skabelonen kan anvendes Et forløb med stort fokus på innovation, skal handle om at identificere et problem inden for et givet område, løse det og implementere løsningen. Lærerens opgave bliver ofte at hjælpe eleverne med at identificere og præcisere problemet, samt sikre sig at der skal fysikfaglige kompetencer til for at løse problemet. Man kan med fordel overveje at give eleverne forskellige benspænd undervejs. Det kunne f.eks. være at løsningen på problemet skal være målrettet unge, eller at problemet skal være et lokalt problem, f.eks. i forhold til trafikken, energipolitikken i kommunen osv. Til sidst skal både lærere og elever holde fokus på, at løsningen skal medføre en reel merværdi for nogen, dvs. den skal kunne anvendes i virkeligheden uden for gymnasiet. Dette sikres nemt, hvis man har eksterne samarbejdspartnere i projektet. Best Place Elbiler Problemformulering: I er direktører for Best Place Elbiler og skal prøve at komme på markedet med jeres biler, som er sammenlignelige med de bedste på det nutidige marked. Hvordan markedsfører du dit firma, og hvordan forklarer du overfor kunder og krævende teknikere fordele og ulemper ved elbiler, herunder omkring design, batterikapacitet, opladning mv? Til læreren: Inden innovationsforløbet kan man med fordel have givet eleverne et elementært grundlag i elektriske kredsløb og elektrisk energi. Desuden er det her oplagt at samarbejde med dansk og samfundsfag omkring markedsføringsdelen. Under forløbet vil det vil være naturligt at stille følgende krav til eleverne: Beregninger omhandlende batterikapacitet skal indgå. Eksperimentelle øvelser fx omhandlende batterier, vindmodstand eller acceleration skal indgå. Økonomiske overvejelser Designmæssige overvejelser Bøgedal kommune Problemformulering: Projekt fjernvarme. Hvordan får man husstande i kommunen til at gå fra boligopvarmning fra egen varmekilde til 10
fjernvarme? Den mest overbevisende argumentation vinder. En energikonsulent fra kommunen kunne evt. være dommer. Til læreren Inden innovationsforløbet kan man med fordel have givet eleverne et elementært grundlag i energiproduktion. Under forløbet vil det være naturligt at stille følgende krav til eleverne: Energiøkonomiske beregninger skal indgå, hvor formler fra kernestoffet anvendes. Eksemplariske eksperimenter benyttes. Kommunalpolitiske overvejelser Energirigtig bydel Problemformulering: Kommunen ønsker at et nyt udstykket område skal udlægges til særligt energirigtig bebyggelse og indrettes, således at energivenlig adfærd fremmes bedst muligt. I skal designe området og blandt andet overveje følgende: Hvilken betydning for energiplanlægningen har det, at en større bebyggelse fra starten og samlet set planlægges energirigtigt? Hvilke fælles transportmidler/samkørsel skal forekomme Hvordan er den fælles energiforsyning Bølgeapparat Problemformulering: Konstruer et apparat, der kan illustrere et bølgefænomen og beskriv den tilhørende teori. Dokumenter illustrationen ved hjælp af målinger, beregninger samt en brugsanvisning til apparatet. Det mest illustrative, mest illustrerende og flotte apparat vinder konkurrencen. Apparatet kunne evt. blive udstillet på det lokale museum med museumsdirektøren som dommer. Eksempel på samarbejde med en folkeskole Der etableres et lille samarbejde med en folkeskole, hvor klassen har fået lov til at formidle emnet bæredygtig udvikling overfor en 9. klasse. Inden folkeskolebesøget har gymnasieklassen kort modtaget undervisning i de sædvanlige energibegreber, hvorefter klassen stilles følgende opgave: Problemformulering: Udarbejd indenfor emnet bæredygtig udvikling noget materiale, der henvender sig til elever i 11
9. klasse. Materialet skal være fagligt begrundet og henvende sig personligt. Præsenter materialet for 9.x på X skole d. x/x 20xx. Samarbejde med en virksomhed Der etableres et lille samarbejde med en virksomhed. Ofte vil virksomheden kunne bruge eleverne til at hjælpe med at udarbejde forskellige former for PR/info materiale målrettet unge. Ved samarbejde med eksterne virksomheder tilstræbes at have kontakt mellem virksomheden og eleverne som minimum i starten og slutningen af forløbet. Det er meget motiverende for eleverne, hvis der er eksterne modtagere med til evalueringen. Forslag til samarbejdspartnere: Optikere lav informationsfolder. Skytteforeninger kinematik Kraftvarmeværker information ud på de sociale medier? Virksomheder som sælger/producerer solceller Samarbejde med hvidevare sælger informationsfolder om energimærkninger? Analysere trafikuheld evt. i samarbejde med politiet Måske hjælpe politiet til at lave kampagner på de sociale medier? 12
Eksempler på forløb der stimulerer innovativ tankegang: Energivurdering af gymnasiet a. Eksperimentelle undersøgelser: Termografering af udvalgte dele af skolen Kortlægning af elforbrug i tid og sted Andre målinger, fx af temperatur b. Teoretiske undersøgelser: Relevant teori til at forstå skolens energiforbrug Beregninger af energiforbrug c. Løsninger: Forhåbentlig innovative løsninger på de energiproblemer undersøgelserne peger på d. Formidlingsmæssige overvejelser: Valg af modtager (elever, lærere, ledelse, teknisk personale, ledelse, bestyrelsen, sponsorer og anden omverden) Hvordan får man disse aktører med på ideerne?! Hvilken rolle kan projektet spille i undervisningen e. Designmæssige overvejelser(?): Åbne opgaver med udgangspunkt i hjemmesider Gode hjemmesider: http://www.middelgrund.com/onlineparkview.asp http://energinet.dk/flash/forside/index.html http://solvarmedata.dk/ http://www.statnett.no/drift og marked/ http://www.sunnyportal.com Hvad kan man bruge de viste data til? Hvilken betydning har det at den slags oplysninger er frit tilgængelige? Hjemmesiderne kan give eleverne ideer til nye hjemmesider med tilsvarende data Energiforsyning; virksomheder; skolens energiflow; husstandens energiflow (digitale elmålere er her allerede..) 13
Trafiksikker by Fysik B/A Holdet lærer om kinematik, mens de på udvalgte steder i byen kortlægger trafikken med henblik på trafiksikkerhed. Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Indhold Introduktion til begreberne position og hastighed. Skelnen mellem middel og øjeblikshastighed, med diskussion af de to begreber i relation til trafik og trafiksikkerhed. Ultralydafstandsmåleren Acceleration Ekstra fokus på negativ acceleration og forbindelsen til opbremsning. Bremseformlen Videoanalyse Hastighed for jævn bevægelse. Videoanalyse Resultaterne fra trafikmålingerne diskuteres i relation til trafiksikkerhed. Evt. inddragelse af materiale fra Teknisk Afdeling i kommunen. Åbne, innovative indslag Diskussion af metoder til måling af position og øjeblikshastighed samt disses fordele og ulemper. Eleverne vælger relevante lokaliteter i kommunen mhp. trafiksikkerhed. Eleverne måler trafikanternes hastighed med en selvvalgt metode. Målingernes nøjagtighed diskuteres 14
Udvælgelse af lokaliteter, hvor trafiksanering er påkrævet. Modul 5 Trafiksanering Grupper af elever vælger/tildeles en lokalitet og arbejder med trafiksanering af denne. Der skal udtænkes innovative løsninger, evt. med udspring i kendte løsningsmodeller Modul 6 Modul 7 Modul 8 Modul x Kinematisk analyse af forslagene til trafiksanering. Ved beregninger sandsynliggør eleverne at trafiksaneringen fører til mere sikker trafik. Udfærdigelse af rapport, som stiles til Teknisk Udvalg i kommunen. Evaluering. Vurdering af, hvilke målinger der skal gennemføres for at dokumentere trafiksaneringens effekt. Evt. medvirker ingeniør fra kommunens tekniske forvaltning. Eleverne kan supplere med udvikling af udstyr el.lign. til bilen, som kan øge trafiksikkerheden. Kvalitetslyd til de danske gymnasieelever Fysik C Forløbet forudsætter et virkeligt eller fiktivt samarbejde med en virksomhed, som fremstiller højttalere, hovedtelefoner og headset med fokus særlig god lydkvalitet. 15
Klassen skal hjælpe virksomheden med at sælge de dyre kvalitetsprodukter, herunder forklare de jævnaldrene fordelene ved at høre musik med god lydkvalitet. Indhold Åbne, innovative indslag Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Modul 5 Modul 6 Modul 7 Modul x Klassen besøger virksomheden. Det forklares at unge normalt ikke er synderligt interesserede i kvaliteten af den lyd de har i ørerne. De elementære størrelser vedr. bølger (bølgelængde, frekvens, bølgehastighed) Eksperimenter, hvor man undersøger relevante egenskaber ved elevernes egne hørebøffer. Hvad er musik(?), herunder frekvensanalyse. Eleverne arbejder med begrebet lydkvalitet ud fra virksomhedens materiale Lydkvalitet, forvrængning, frekvensgang for højttaler Fremstilling af PR materiale. Eleverne er inddelt i grupper, som hver behandler ét af virksomhedens produkter. Præsentation af PR materialet overfor virksomheden. En gruppe af eleverne ønsker at Analyse af virksomhedens materiale om deres produkter. Hvordan anvendes tekniske begreber i materialet? Brainstorm: Hvordan anvendes de teknisk termer som virksomheden bruger til at anprise produkterne overfor et ungt publikum? 16
supplere med en ide til udvikling af virksomhedens headsets, således at risikoen for høreskader mindskes Klimaforandringer Fysik C/B/A Indenfor emnet klimaforandringer, kan eleverne evt. arbejde innovativt med problemer indenfor flg. underemner: Kortlægning af klimaet og forandringerne Årsager til menneskeskabte klimaforandringer Konsekvenser af klimaforandringer Havvandsstigninger Tørke og vandforsyning Voldsomt vejr Eleverne skal komme med forslag til løsninger, som er alment etisk forsvarlige, og som ikke umiddelbart er kommercielle. 17