Projektbeskrivelse Forsknings- og udviklingsprojektet Matematik og naturfag i verdensklasse II 2004-2006 Learning Lab i Hovedstadsregionen Februar 2004 Københavns Kommune Frederiksberg Kommune Københavns Amt Frederiksborg Amt Roskilde Amt Hovedstadens Udviklingsråd
Baggrund Formålet med Matematik og naturfag i verdensklasse er at øge interessen for matematik og naturvidenskabelige fag at sætte fokus på matematisk og naturvidenskabelig almendannelse at motivere unge for en teknisk-naturvidenskabelig uddannelse Projektets mission er at udvikle nye undervisnings- og læringsmetoder og nye undervisningsmaterialer på grundlag af fagdidaktiske forskningsresultater og nye fagligt pædagogiske ideer. Lærernes kompetenceudvikling er en integreret del af projektet og støttes gennem afholdelse af kurser, seminarer og konferencer. Projektet etablerer netværk af skoler i Hovedstadsregionen, som er rammen om et samarbejde mellem fagdidaktiske forskere og praktikere i skolen. Universiteter, institutioner og virksomheder knyttes til netværket gennem aftaler omkring bestemte forsknings- og udviklings-projekter. Matematik og naturfag i verdensklasse II Projekt Matematik og naturfag i verdensklasse fortsætter i skoleårene 2004/05 og 2005/06 med fem delprojekter: 1. Naturvidenskab for alle fysik i 1.g 2. Nanoteknologi i gymnasiet fysik og kemi i 2.g 3. Matematik med CAS matematik i 3.g 4. Naturvidenskab for alle, et tværfagligt projekt biologi, fysik/kemi og geografi i 8. kl 5. Overgangsprojekt fra natur/teknik i 6. kl til biologi, fysik/kemi og geografi i 7. kl Forprojekter Med hensyn til de tre førstnævnte delprojekter er der iværksat et forberedende arbejde med henblik på at udvikle undervisningsmateriale til modelforløb inden for hvert delprojekt. Et modelforløb skal omfatte 10-20 timers undervisning, og undervisningsmaterialet skal følges op af pædagogiske overvejelser (lærervejledning, kurser o.l.). Materialet skal være web-baseret, fx placeret på de intranet, som amter og kommuner er ved at etablere som forberedelse til det virtuelle gymnasium. På nettet skal der være en hovedtekst på 10-20 sider, som kan downloades fx i pdf-format. Desuden skal der være række forslag til supplerende aktiviteter: Opgaver, eksperimenter, supplerende læsning Undervisningsmaterialet testes i løbet af skoleåret 2003/2004 i et mindre antal klasser med henblik på at iværksætte egentlige udviklings- og forskningsprojekter fra skoleåret 2004/2005. 2
Naturvidenskab for alle - fysik i 1.g Projektets mål er at udvikle og afprøve web-baseret undervisningsmateriale med sigte på at styrke elevernes naturvidenskabelig almendannelse. Materialet skal understøtte et antal undervisningsforløb af 10-20 timers varighed i den indledende fysikundervisning i gymnasiet. Ud over en hovedtekst skal materialet til hvert forløb omfatte Konkrete forslag til aktiviteter, som kan inddrages (eksperimenter, opgaver mm.) Baggrundsmateriale, evt. i form af links Forslag til undervisningen, som indeholder en kompetence-analyse Baggrund Der er stor aktuel interesse for naturvidenskabelig almendannelse (eller science literacy ), og der er grund til at tro, at en kommende gymnasiereform vil indebærer en øget vægt på naturvidenskabelig dannelse. I regeringens handlingsplan Bedre uddannelser peges der på, at de naturvidenskabelige fag og naturvidenskabelige dannelseselementer skal styrkes i uddannelserne 1. I rapporten Fysik og Kemi Naturvidenskab-for-alle 2 defineres nedenstående mål for en almendannende undervisning i naturfag og teknologi. Forstå hvordan viden skabes inden for de naturvidenskabelige fag Forstå styrke og begrænsninger i naturvidenskabelige beviser og kendsgerninger Forstå den rolle naturvidenskab og teknologi spiller som elementer i udviklingen af vores kultur og vores velfærdssamfund Kunne vurdere risici og erkende etiske og moralske spørgsmål i forbindelse med de handlemuligheder, naturvidenskab og teknologi tilbyder De specifikke kompetencekrav i fysik og kemi skal ses i sammenhæng med og indlejres i disse almene kompetencer. En almendannende undervisning kræver, at de emner/problemer der behandles opleves som relevante af eleverne, dvs. har deres interesse og i en nærmere defineret udstrækning kan forstås af alle. Undervisningen må tage udgangspunkt i problemer, som kan deles af alle, også af elever, som ikke har særlige evner eller en særlig interesse for naturfagene. Kompetencer Kernen i kompetence er indsigtsfuld parathed til at handle hensigtsmæssigt 3. Hensigten med at anvende en kompetencebeskrivelse af undervisningen er at flytte fokus fra lærerens gennemgang af 1 Bedre uddannelser Handlingsplan. Regeringen, juni 2002 (side 24) 2 Fysik og Kemi Naturvidenskab-for-alle. Ministeriet for Videnskab, Teknologi og Udvikling, april 2002 (side 15-18) 3
pensum og elevernes reproduktion af samme pensum til elevernes udbytte af undervisningen set i forhold til elevernes videre liv og uddannelse. Arbejdsgruppen vedrørende Fremtidens Naturfaglige Uddannelser giver et bud de naturvidenskabelige kompetencer. 4 Empirikompetence Repræsentationskompetence Modelleringskompetence Perspektiveringskompetence Det er tanken, at disse fire delkompetencer skal indgå i enhver naturfaglig uddannelsessammenhæng, men der er naturligvis tale om en progression op gennem uddannelsessystemet, ligesom vægtningen af de enkelte kompetencer afhænger af faget og niveauet. Kompetencer skal bruges i relation til et fagligt indhold i undervisningen. De processer, som kompetencerne beskriver, kan kun finde sted i sammenhæng med konkrete situationer. Hensigten er, at undervisningsstoffet udvælges med særligt henblik på de kompetencer, det valgte stof egner sig til at bringe til udfoldelse. Undervisningsmaterialet Et konkret eksempel på et undervisningsmateriale, som søger at tilgodese de ovennævnte krav, er produceret i forbindelse med projektet Science for Public Understanding 5. Dette projekt, som netop har været igennem en omfattende evaluering, er en inspirationkilde for det nærværende projekt. Undervisningsmaterialet til Naturfag for alle produceres af gymnasielærere i samarbejde med fagdidaktiske forskere. Mulige emner: Energiomsætning og miljøpåvirkning Radioaktivitet og strålingsrisiko Solsystemet og universet Forprojekt Der er iværksat et forprojekt omfattende et undervisningsforløb om bæredygtig udvikling med henblik på en afprøvning allerede i skoleåret 2003/04. Undervisningsmaterialet til det første forløb er udarbejdet af Sussanne Blegaa, Henry Nørgaard og Niels Hartling, ligesom Lars Brian Krogh, Center for naturfagenes didaktik ved Aarhus Universitet har været inddraget. Den foreløbige titel er Energiens Fodspor (inspireret af den vurdering af menneskers påvirkning af miljøet, som er udtrykt i vendingen det økologiske fodspor ). Forløbet beskæftiger sig med bæredygtighed og energi, både set i globalt og lokalt (hovedstadsregionen) perspektiv. Hvordan 3 Mogens Niss: Faglighed i, med og om matematik, Uddannelse, 3/2002 4 Fremtidens naturfaglige uddannelser, Uddannelsesstyrelsens temahæfteserie nr. 7/2003 5 Se http://www.nuffieldfoundation.org/spu/ 4
kan energiens fodspor gøres mindre, hvad vil det betyde for den enkelte? Kan det ske med et uændret velfærdsniveau? Materialet lægger op til diskussion, og det kan naturligt bruges i samarbejde mellem naturvidenskabelige fag og andre fag, fx samfundsfag. Blandt andet kan nævnes, at der er lagt vægt på dynamiske modeller, der er inddraget en række opgaver, som til dels kun kan løses ved at opsøge relevante netadresser, der er inkluderet eksperimentelt arbejde, og relevante ekskursionsmål i hovedstadsregionen er omtalt. Det er målet, at eleverne gennem brug af materialet opnår at kunne forstå betydningen for den enkeltes hverdag af naturvidenskab og teknik at kunne forstå den måde naturvidenskab og teknik omtales i medierne at kunne reflektere kritisk på informationen at kunne deltage i diskussioner med et naturvidenskabeligt og teknisk indhold Nanoteknologi i gymnasiet - fysik og kemi i 2.g Projektets mål er at udvikle og afprøve web-baseret undervisningsmateriale til korte undervisningsforløb om nanoteknologi. Undervisningsmaterialet skal kunne bruges i fysik eller kemi i 2.g og dække 10-20 timers undervisning. Samarbejde med universiteter eller erhvervsvirksomheder er en integreret del af projektet. Baggrund Nanoteknologi er tværvidenskabelig og er opstået i grænseområdet mellem fagene fysik, kemi og biologi. Disse videnskaber har lært os, hvordan atomer og molekyler opfører sig. I fremtiden vil vi gerne kunne kontrollere og organisere disse i strukturer, der kan noget nyt. I nano-området har der vist sig at være kort vej fra grundvidenskabelig indsigt til mulige anvendelser. I nano-området er det således både grænserne mellem fagene og grænsen mellem grundforskning og anvendt forskning der udviskes. Netop det at der er tale om grænseoverskridende højteknologi og at området er tværfagligt gør, at vi mener undervisning i nanoteknologi er velegnet til at styrke elevernes naturvidenskabelige forståelse og vil virke engagerende på mange elever. Samtidig giver emnet mulighed for konkret samarbejde med videregående undervisningsinstitutioner og evt. virksomheder. Undervisningsmaterialet Materialet produceres af gymnasielærere i samarbejde med medarbejdere på Nanoscience-centret på Københavns Universitet. Materialet skal tilrettelægges så dataopsamling, visualisering og simulering kan indgå i undervisningen. Mulige emner: Solceller Enzymatisk nedbrydning af fedtstoffer Scanning tunnel mikroskopi 5
Behandling af pks-begrebet ud fra en atomar synsvinkel Forprojekt Der er iværksat et forprojekt omfattende et undervisningsforløb om solceller med henblik på en afprøvning allerede i skoleåret 2003/04. Undervisningsmaterialet om solceller og nanoteknologi er udarbejdet af Sheela Kirpekar, Ordup Gymnasium og Nils Galsøe-Andresen, Rysensteen Gymnasium, i samarbejde med Nanoscience Centeret. og Ungdomslaboratoriet på Københavns Universitet. Solcellerne er baseret på det samme pigment, som findes i hvid maling samt brombærsaft, og cellen er et modelsystem, som kan belyse grundlæggende forhold bag fotosyntesen. Det eksperimentelle arbejde med solcellen skal dels foregå på gymnasierne, dels på Ungdomslaboratoriet. Når eleverne besøger Ungdomslaboratoriet vil der også indgå et besøg på Nanoscience Centeret., og medarbejdere herfra vil orientere om nanoteknologi. Matematik med CAS - matematik i 3.g Projektets mål er at udvikle og afprøve web-baseret undervisningsmateriale, hvor et CAS-værktøj udnyttes mest muligt. Formålet med projektet er at vise, hvor langt man kan komme inden for udvalgte emner, når et sådant værktøj er til rådighed. Materialet skal kunne anvendes i matematikundervisningen i 2.-3.g og dække 10-20 timers undervisning. Baggrund På grundlag af de brede erfaringer med brug af CAS i gymnasiets matematikundervisning, som er opsamlet gennem Matematik og naturfag i verdensklasse er det hensigten at gå i dybden med udvalgte områder af matematikken. Der skal tilknyttes en didaktisk forsker, der ved at følge undervisningen og ved at interviewe lærere og elever skal undersøge, hvordan undervisningen ændres ved konsekvent at udnytte CAS. Projektet skal undersøge, om undervisningen kan få et kvalitativt løft, og om der kan flyttes på lærer/ elevrollerne, hvis undervisningen gribes an på en ny måde, og hvis der tages udgangspunkt i materiale, der er skræddersyet til et CAS-værktøj. Undervisningsmaterialet Der skal udarbejdes undervisningsmateriale til nogle traditionelle emner i gymnasiets matematikundervisning, hvor et CAS-værktøj udnyttes mest muligt. Materialet skal lægge op til mere elevaktiverende arbejdsformer. Materialet produceres af gymnasielærere i samarbejde med fagdidaktiske forskere. Mulige emner: Differentialligninger 6
Sandsynlighedsregning Lineær programmering Forprojekt Der er iværksat et forprojekt omfattende et undervisningsforløb om differentialligninger med henblik på en afprøvning allerede i skoleåret 2003/04. Materiale til dette emne er udviklet af Per H. Jensen, Vestre Borgerdyd Gymnasium, Børge Jørgensen, Helsingør Gymnasium, og Niels Hjersing, Himmelev Gymnasium. Mette Andresen, DPU, har ved nogle møder været med til at opstille nogle fokuspunkter til brug ved evalueringen af projektet. Materialet er skrevet ud fra den forudsætning, at eleverne har matematikprogrammet DERIVE til rådighed, men andre programmer eller store CAS-lommeregnere vil også kunne bruges. Materialet dækker alle de emner, der hører til gymnasiets pensum inden for differentialligninger, men det lægger op til en meget anderledes undervisning. Computerens styrke udnyttes til alle ligninger og beregninger, hvorved der frigøres tid og kræfter til at arbejde med forståelsen af selve ligningerne og med at opbygge differentialligningsmodeller. Materialet lægger op til, at eleverne arbejder med større og mindre projekter, herunder tværfaglige projekter. Naturvidenskab for alle et tværfagligt projekt biologi, fysik/kemi og geografi på 8. klassetrin. Der har i de sidste mange år været dystre profetier om konsekvenserne for vores samfund, hvis vi ikke får flere unge til at interesse sig for de naturvidenskabelige fag (.) 6 Det er især to problemer, der fremhæves: Rekrutteringsproblemet Demokratiproblemet Projektet tager udgangspunkt i Demokratiproblemet. Projektet er målrettet folkeskolens ældste klasser og nedenstående citat viser, hvorfor det er meget væsentligt at beskæftige sig med netop Demokratiproblemet. Hvis den brede befolkning er uden tilstrækkelig solid naturvidenskabelig og teknologisk almen dannelse, er der risiko for en slingrekurs i de demokratiske beslutninger og en følgende forringelse af velfærden, miljøet og naturen. Endvidere er der en alvorlig risiko for, at borgere uden et naturvidenskabeligt almendannende grundlag for at deltage i den demokratiske debat og beslutningsproces bliver marginaliserede. 7 6 Carl P Knudsen: Almendannelse og naturvidenskab, Uddannelse nr. 4/2003 7 Fremtiden Naturfaglige Uddannelser, Uddannelsesstyrelsens temahæfteserie nr. 7/2003, side 11 7
Vedtagelsen af Folkeskolelov 2003 betyder, at der er indført trinmål, som beskriver, hvad eleven skal kunne efter et givent klassetrin. Fysik/kemi er fag på 9. klassetrin, mens biologi og geografi i 2005 og 2006 vil indgå i 9. klasses fagrække. For alle fagene gælder, at der er slutmål, og at fagene afsluttes med en fælles prøve fra 2007 (biologi indgår i prøven i maj 2006). Væsentlige ord, der går igen i slutmålene for alle tre fag er f.eks.: - kende, - beskrive, - give eksempler, - sammenligne, - forklare, - redegøre, - vurdere, - anvende, - formulere. Slutmålene lægger sig tæt op ad nedenstående definition på naturfaglig kompetence, der kan defineres som det at have viden om, at forstå, udøve, anvende og kunne tage kritisk stilling til natur, naturfaglighed, naturvidenskab og teknologi i en mangfoldighed af sammenhænge, hvori disse indgår eller kan komme til at indgå. 8 Lærerne skal gennem oplæg og øvelser inspireres til at tilrettelægge tværfaglige undervisningsforløb i de tre fag, hvor de fire kompetenceområder inddrages nemlig empirikompetence repræsentationskompetence modelleringskompetence perspektiveringskompetence Projektet Målet for projektet er at lærerne opnår indsigt i og erkendelse af, at undervisning i den naturfaglige fagkreds kan tilrettelægges således, at indholdet bygges op om fagets grundbegreber, vælges efter et eksemplarisk princip og drejer sig om aktuelle nøgleproblemer. 9 at designe og afvikle undervisningsforløb, som giver eleverne erkendelse af, at naturfaglig indsigt er en nødvendighed, hvis de vil kunne forstå og deltage i samfundsdebatten om emner af naturvidenskabelig karakter. Deltagere: Lærere i biologi, fysik/kemi og geografi på 8. klassetrin fra et antal folkeskoler i København og på Frederiksberg (to til tre skoler fra hver kommune). Kompetenceudvikling: De deltagende lærere vil gennem kurser og med støtte fra konsulenter fra CVU-Storkøbenhavn blive understøttet og inspireret i processen med at udvikle og gennemføre undervisningsforløb efter det i målformuleringen beskrevne koncept. Evaluering: 8 Fremtiden Naturfaglige Uddannelser, Uddannelsesstyrelsens temahæfteserie nr. 7/2003,side 19 9 Carl P Knudsen: Almendannelse og naturvidenskab, Uddannelse nr. 4/2003, hvor der henvises til Per Fibæk Laursen: Fagligheden i de videregående uddannelser, Uddannelsesredegørelse 2000. 8
De deltagende konsulenter skal sammen med de projektansvarlige fra projektgruppen gennemføre en evaluering efter hvert forløb. Varighed: Det foreslås, at de deltagende skoler deltager i to fortløbende år. Herved er sandsynligheden for, at den i projektets beskrevne tilrettelæggelse af undervisningsforløb i de naturfaglige fag i folkeskolens ældste klasser, kan implementeres som en naturlig del i naturfagslærernes undervisningsplanlægning på de deltagende skoler. Vidensdeling: Københavns og Frederiksberg kommuner forpligtes til selv at sikre den nødvendige vidensdeling til kommunernes øvrige skoler. Projektgruppen sikrer, at projektet og projektets resultater bliver publiceret i større tidsskrifter mm. Eksempel på et projektforløb Fase 1: Forløbet indledes med at eleverne stilles over for en problemstilling f.eks. Hvorfor lukker svenskerne ikke bare Barsebäck med det samme? Elevholdninger og -reaktioner fastholdes enten gennem videooptagelser (husk at få godkendelse til at optage) eller gennem båndoptagelser. Fase 2: I en periode over tre/uger (18 24 timer) arbejder lærere og elever tværfagligt med emnet - i det nævnte eksempel - energi. Fase 3: Eleverne bliver stillet over for samme problemstilling som i fase 1. Igen fastholdes elevholdninger og -reaktioner jf. fase 1. Fase 4: Forløbet evalueres og eleverne har forhåbentlig erfaret, at naturfaglig viden er nødvendig for at kunne deltage kvalitativt i den almene debat, og at indsigt kan betyde, at man skifter standpunkt/holdning. Overgangsprojekt - fra natur/teknik i 6. kl. til geografi, biologi og fysik/kemi i 7. kl. Faget natur/teknik blev indført i forbindelse med Folkeskoleloven af 1993. Faget er obligatorisk fra 1. - 6. klassetrin. I 7. klasse indføres fagene geografi, biologi og fysik/kemi. Geografi og biologi er i forbindelse med vedtagelse af Folkeskolelov 2003 udvidet til at være fag også på 9. klassetrin. Således optræder alle tre fag fremover på 7., 8. og 9. klassetrin. Fra 2006 vil biologi indgå i en samlet prøve med fysik/kemi til Folkeskolens Afgangsprøve, og fra 2007 vil også geografi indgå i prøven.. Mål: at sikre at overgangen fra 6. klasses undervisning i natur/teknik til 7. klasses naturvidenskabelige fagrække opleves som meningsfyldt, således at de metoder og den faglige indsigt eleverne har opnået gennem seks års undervisning i natur/teknik kan understøtte undervisningen i biologi, geografi og fysik/kemi 9
Varighed: Et to-årigt projekt for natur/teknik-lærere på 6. klassetrin samt lærere i geografi, biologi og fysik/kemi på 7. klassetrin. Disse lærere deltager i et år og erstattes så af kommende 6. og 7. klasses lærere i natur/teknik og geografi, biologi og fysik/kemi. Den endelige evaluering af projektet vil ske efter 2. år. Således deltager en klasse i hele det to-årige forløb, mens år 1s 7. klasse og år 2s 6. klasse kun deltager i et år. Projektets År 1 6. klasse 7. klasse Projektets År 2 7. klasse (tidl. 6. kl) ny 6. klasse Handleplan: Der gennemføres et studiekreds for de deltagende lærere for at få udviklet en strategi for at skabe en mere kontinuert overgang mellem 6. og 7. klasse i de naturvidenskabelige fag. Studiekredsen ledes af lærere fra CVU-STORK Lærerne gennemfører fællesplanlægning af undervisningsforløb Lærerne gennemfører undervisningsforløbet i egen klasse Erfaringer fra år 1 danner baggrund for år 2 Evaluering: det undersøges gennem spørgeskemaundersøgelse om deltagelse i projektet har ændret lærernes tilgang til stoffet det undersøges om eleverne fra 6. klasse i forsøgets år 1 oplever undervisningen i de naturvidenskabelige fag mere "kendt", når de kommer i 7. klasse i projektets år 2 end de elever, der går i 7. klasse i projektets år 1 Forskning: Det undersøges, om de deltagende lærernes undervisningspraksis ændres Elevernes tilgang til de naturvidenskabelige fag i 7. klasse undersøges Eleverne i projektets år 1 i 7. klasse sammenlignes med eleverne i projektets år 2 i 7. klasse. Vidensdeling: Projektlederen (en fra projektgruppen for Matematik og naturfag i verdensklasse) sikrer at erfaringerne fra projektet søges offentliggjort i bl.a. faglige tidsskrifter og på projektets hjemmeside Det undersøges, om de opnåede erfaringer kan gøres til genstand for et kursusforløb enten gennem de deltagende kommuners egne kursusrækker eller gennem kurser udbudt af CVU er og/eller DPU Forskningsresultaterne offentliggøres 10