Forsøk i naturfag Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen

Transkript

1 FORSØK I NATURFAG HØGSKOLEN I BODØ LYDFARTEN I LUFT Foto: Marianne Eidissen Hansen Foto: Mari Bjørnevik Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 1 av 9

2 1 Innledning I dette forsøket skal vi finne et estimat for lydhastigheten, som Store norske leksikon definerer som 330 m/s i luft 1. Vi skal være ute og klappe i hendene mot en vegg, og ut fra dette beregne og regne oss frem til et estimat og sammenligne det med tallet 330 m/s. Aktiviteten kan være relevant til Kunnskapsløftets kompetansemål etter 10.årstinn innen naturfag og matematikk: skrive logg ved forsøk og feltarbeid og presentere rapporter ved bruk av digitale hjelpemidler (LK 06: s. 88, Forskerspiren, naturfag) rekne med formlar (LK 06: s. 63, tema tal og algebra i matematikk) ( ) bruke og vurdere måleinstrument og målemetodar i praktisk måling, og drøfte presisjon og måleusikkerheit (LK 06: s 64, tema måling i matematikk) Innenfor temaet Forskerspiren ligger blant annet dimensjonene om å eksperimentere, gjøre observasjoner, diskutere og begrunne for konklusjon (LK:82). Dette er deler av naturfagsundervisningen som en prosess for at elevene skal konstruere kunnskap. I læreplanen for matematikk, under formålet med faget side 57, står det at mennesket har brukt ( ) matematikk for å systematisere erfaringar og for å beskrive og forstå sammenhengar i naturen og i samfunnet. Under temaet måling i matematikk, side 59, står det at denne prosessen krever at ein bruker måleiningar og høvlege teknikkar, målereiskapar og formlar. ( ) drøfting av måleusikkerheit er viktig. Vi velger også å trekke inn rammeplanen for allmennlærerutdanningen der et mål studentene skal kunne under faglig og fagdidaktisk kunnskap er: forstå sammenhenger ( ) og fenomener i naturen og i dagliglivet rundt oss 2 Aktiviteten er fra et forsøk som ble gjennomført av naturfagsklassen på Høgskolen i Bodø høsten Vi mener at aktiviteten kan være med på å nå kompetansemålene i de to realfagene naturfag og matematikk. Samtidig dekker de grunnleggende ferdigheter som å uttrykke seg muntlig ved å samarbeide. Ferdighetene å utrykke seg skriftlig, kunne regne og bruke digitale verktøy vil bli dekt ved for eksempel å presentere rapporten med utregninger på Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 2 av 9

3 Fronter, eller (inkludere muntlig ferdighet) gjennomføre en muntlig Power- Pointpresentasjon for klassen. For matematikkfaget er regning sentralt, som er en viktig del av dette forsøket. 2 Teori Vi har noen sentrale faglige begreper og sammenhenger i forhold til aktiviteten. Dette er: lyd: mekaniske svingninger 3 lydhastighet: er knyttet til hva lyden forplanter seg gjennom 4. I følge kilden er lydhastigheten i stål 5000m/s. Målet med forsøket er at elevene på det aktuelle årstrinnet skal få en forståelse av hva lydhastighet er, samt lære hvordan vi kan regne oss frem til et estimat. 3 Materiell og metode 3.1 Utstyr For å gjennomføre forsøket må vi ha måleband, helst et langt for å gjøre målingen av avstanden mellom klapperen og bygget enlest mulig. Vi trenger stoppeklokke, eventuelt bruke stoppeklokke på mobiltelefonen, og ellers penn, papir, eventuelt kalkulator. Da de fleste har mobiltelefoner og skolene ofte har klassesett med kalkulatorer vil det verken være kostbart eller vanskelig å skaffe utstyret. 3.2 Framgangsmåte Klapperen står ved merket for oppmålt lengde mellom bygget og meg, slik figur 1 viser. I dette tilfellet valgte vi 50 meter etter oppmåling med meterband (figur 2). Figur 1, av Marianne Eidissen Hansen 50 m Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 3 av 9

4 Klapperen skal forsøke å klappe og høre ekkoet som kommer fra veggflaten. Poenget er å få en jevn klapperytme der klapperen klapper og hører ekkoet, og der den samme tidsdifferansen skal komme før neste klapp. På denne måten skal klapperen prøve å få en jevn rytme med like stort tidsrom mellom hvert ekko og klapp. Når klapperen er kommet inn i klapperytmen skal tidtakeren måle tiden klapperen bruker på ti klapp og notere det ned i en tabell. Vi gjør tre klappeforsøk for å få et gjennomsnitt vi kan bruke til å bestemme lydhastighetsestimatet. Når skoleelever skal gjennomføre forsøket kan klassen gjøre klappingen felles og deretter gå i mindre grupper for å regne seg frem til et estimat av lydhastigheten. Et figur 2. Distanseoppmåling annet alternativ er at grupper med elever kan selv etter tur, eller som en stasjon ved et stasjonsarbeid, gjennomføre forsøket. Klassen kan deretter i fellesskap gjennomgå og vurdere resultatene, og eventuelt foreslå og prøve ut andre metoder de kan måle lydhastighet på. Mer om dette og annet kommer inn under Fagdidaktisk drøfting. En risikovurdering som må tas kan være å ikke stå i trafikkerte gater. Ved vår distansemåling, figur 2, stoppet vi ved 50 meter for ikke å havne midt ute på en bussvei. Læreren bør på forhånd finne trygge alternative steder hvor elever kan gjennomføre forsøket. 4 Resultater Klappeforsøk nr: Tid i sekunder: Antall enkle klapp: 1 4, , ,1 10 Vi tok tiden på 10 klapp for å gi en mindre unøyaktighet enn hva færre klapp kan gi. Ved start, 0 s, var første klapp. Det vil si at de 10 enkle klappene til sammen utgjør 9 hele klapp. 0,272 s Klapp ekko klapp ekko 0 s første klapp 0,54... s figur 3. Skjematisk tegning av klapp Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 4 av 9

5 Distansen for lyden mellom hvert klapp blir (50 m + 50 m = ) 100 m, fordi lyden går fra klapperen, treffer veggen og ekkoet returnerer slik at klapperen hører det. Vi bruker gjennomsnittet på antall sekunder per 10 klapp: 4,9 4,7 5,1 4,9 s 3 Vi finner tiden det tar på ett klapp: 4,9 9 s 0,54... s per klapp tiden mellom enkelt klapp og ekko: 0,54... s 2 0, s bruker lyden på å svinge fra klapperen, til veggen og tilbake til klapperen som et ekko, altså 100 m. Forholdet mellom strekning, hastighet og tid har formelen: s v t der s står for strekning målt i meter, v er hastighet/fart (det engelske ordet er velocity), og t står for tid målt i sekund. s Vi gjør om formelen ved å dividere med t på begge sider og får: v t Nå finner vi hastigheten til lyden, vårt estimat for lydhastigheten: 100m 0, s 367,37 370m / s 5 Drøfting 5.1 Naturvitenskapelig drøfting Vårt estimat for lydhastigheten er 370 m/s. Det er (370m/s 330m/s = ) 40 m/s hurtigere enn definisjonen til Store norske leksikon. Selv om differansen ble slik, mener vi at målet med forsøket ble oppnådd. Forventningen om å lære de faglige begrepene og å se sammenhengen mellom dette ble også oppnådd. Det er viktig å huske på at lyden bærer ikke kun over de 50 metrene, men går frem og tilbake og da rekker over 100 meter. Normalt sett når man utfører et slikt forsøk skal man også foreta et usikkerthetsoverslag. Det vil si at resultatet ligger innenfor Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 5 av 9

6 en ramme på pluss/minus halve maksimalavviket, altså (370m/s-330m/s)/2 = 20 m/s (halve maksimalaviket) lydhastighet = ( ) m/s. Dermed blir ikke resultatet så avvikende fra tabellverdien. Lyd beveger seg i bølger, altså energi som svinger. For å forstå fenomet lyd, må man kjenne til noen grunnleggende sider ved bølger. En bølge består av bølgetopper og bølgedaler. Avstanden mellom to bølgetopper kalles en bølgelengde. Den tiden det tar for bølgen å gjenta seg selv kalles en periode. Perioden til bølgen forteller hvor lang tid det tar fra en bølgetopp passerer til neste bølgetopp befinner seg på samme plass. Perioden måles ofte i enheten sekund, s. Frekvensen til bølgen henger sammen med perioden; den er nemlig definert som antall svigninger per sekund, og måles i hertz, Hz. Enheten hertz er definert slik at 1Hz = 1 s Vi har altså at frekvensen =. Det er opp- og nedbevegelsen som gir bølgene perioden bevegelsesenergi. Lyd er bølger av fortetninger og fortynninger i lufta. Vi kan høre lyder fordi lydbølgene som treffer øret setter trommehinnen i svigninger. Disse svigningene påvirker sansecellene våre, som i hjernen blir registrert som lyd. Noen ganger møter lydbølgene stor motstand ved overgang fra ett stoff til et annet. Da vil lydbølgen, i stedet for å trenge videre inn i det harde stoffet, reflekteres. Dette kalles et ekko. Hvor godt lyd brer seg avhenger av det stoffet lyden skal gå igjennom. Lyden brer seg ved at partikler i stoffer presses sammen og dyttes fra hverandre igjen. Hvor godt lyden brer seg, avhenger av hvor lett disse partiklene kan bevege seg i forhold til hverandre. Lyden går for eksempel hurtigere og lengre gjennom vann en i luft, fordi fortetninger og fortynninger av vannmolekyler brer seg lettere enn fortetninger og fortynninger av luftmolekyler. Dersom det ikke er noe stoff til stede, kan ikke lyden bre seg. Altså i et vakum (på for eksempel månen) brer ikke lyden seg. Dette kan dermed påvirke våre resultater i forhold til forsøket. Vi hadde en større luftfuktighet pga. regnvær. Dermed kan faktisk lydhastigheten være noe raskere enn tabellverdien, noe våre målinger tydet på. Temperaturen vil også ha en effekt på molekylene med tanke på bevegelse. Ved høyere temperaturer svinger molekylene enklere enn ved lavere temperaturer. Feilkilder kan altså være start og stopp av stoppeklokken. Klapperen må ha en jevn rytme for å få ekkoet midt mellom hvert klapp, hvis ikke blir det skjevt. Værforhold, temperatur og luftfuktighet vil påvirke utfallet. Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 6 av 9

7 5.2 Naturfagsdidaktisk drøfting Forsøket, med fremgansmåte og resultat, vil etter vår forventning være en vei å gå for å dekke elevenes aktuelle kompetansemål for 10. årstrinn. Nå vil elevene lære hva lydhastighet er, og en måte å finne et estimat for det. Elevene må skrive og presentere rapporten fra forsøket. Den vil inneholde formler og/eller forklaringer på fremgangsmåte i utregningen, og drøfting av måleusikkerhet og resultat/konklusjon. Dimensjonene innen temaet Forskerspiren vil bli aktuelle, samt også utdragene ovenfor fra læreplanen i matematikk. Vi studenter har også oppnådd hva utdraget fra rammeplanen for allmennlærerutdanningen sa. De aktuelle grunnleggende ferdighetene vil være sentrale og bli arbeidet med og brukt gjennom forsøket. Vi vil legge til at samarbeid og bruk av språk er viktig. Dette var sentralt i den kjente psykologen Lev Vygotsky ( ) sin sosiokulturelle teori. Han mente at språket er en forutsetning for tenkning og blir avgjørende for hvordan verden blir oppfattet, samt at gjennom språket tar kulturen bolig i individet. Kulturen kommer frem gjennom språket, som er et redskap til tenkning, kommunikasjon og bevissthet. Innen hans teori finner vi begrepet den proksimale utviklingssonen, det et barn kan klare dersom det får hjelp eller støtte. Dette kan en medierende hjelper bidra med, en som kan mer enn barnet. Mediering er sentralt i utviklingen og forbedrer læringssekvensen. Vygoytsky mente elevene måtte få utfordringer som de kunne beherske ved å strekke seg litt (Imsen 2005: s. 261). Elever bør stimuleres til å samarbeide med andre om skolearbeidet, og dermed få økt språklig/ muntlig erfaring. Det er viktig at elevene bruker språket når de tilegner seg lærestoffet, at de deltar i språklige aktiviteter elever imellom. Det er når elever formidler kunnskap til andre at de lærer mest. Oppgavelyden inneholder liten frihetsgrad, men som tidligere skrevet kan elevene i etterkant komme frem til andre fremgangsmåter og prøve ut om de også fungerer. Læringsplakaten i Kunnskapsløftet, punkt 6 side 31, sier at skolen skal fremme varierte arbeidsmåter. Et mål for lærere kan være å vekke elevenes motivasjon og interesse for naturfag (Folkvord og Mahan 2007: s. 10). Videre på side 17 står det at forskere påpeker viktigheten av at elevene får bruke flere sider av seg selv i læringen, være mer aktive, sette sammen biter til en helhet selv heller enn å få alt ferdig presentert. Vi mener at forsøket er et eksempel på hvordan vi kan oppnå alt dette. Howard Gardners teori om multiple intelligenser, som sier at vi har ulike måter vi lærer best og foretrekker å lære på, kan være med i den didaktiske relasjonsmodellen Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 7 av 9

8 som kan skrives for bruk av forsøket i undervisning. Elever med sterk musikalsk intelligens kan få prøve å klappe rytmen, elever med logisk-matematisk intelligens kan behandle tall og ( ) størrelser (Imsen 2005: s. 350) og elever med naturintelligens og visuell intelligens får være ute i naturen og se/oppleve den praktiske delen av forsøket. I artikkelen til Nergård sier hun at for å øke læringsutbyttet av forsøk og praktiske aktiviteter er det behov for å skape en tydeligere kobling mellom den teoretiske undervisninga og det praktiske arbeidet (Biologididaktikk 2008: s.63). For at elevene skal få en sammenheng og forståelse av forsøket bør læreren gi en introduksjon i starten og ved slutt gjennomføre en oppsummering. Selv om elevene gjennomfører forsøket, har vi fortsatt ingen garanti for at elevene lærer det de skal lære av aktiviteten (Peter van Marion, Biologididaktikk 2008: s. 82). 6 Konklusjon Vi ser nytten av å gjennomføre et slikt forsøk i naturfagsundervisningen fordi det vil være en praktisk måte med bruk av matematikk for at elevene skal lære om hva lydhastighet er og en fremgangsmåte for å beregne dette. I tillegg vil elevene da gjøre et praktisk arbeid der svaret ikke vil være gitt skriftlig fra eventuelt ei lærebok. Elevene kan oppnå kompetansemålene, samt vi studenter oppnådde målet fra rammeplanen. Vi opplevde aktiviteten som interessant, da vi fikk selv på en praktisk og matematisk måte komme frem til et estimat for lydhastigheten, selv om vi fikk slik en differanse. Matematikk og regning var sentralt, og også bevisstgjørelsen på måleusikkerhet. Forsøket vil bidra til en variert arbeidsmåte der elevene er aktive og konstruerer, sammen med medelevene ved bruk av språket jamfør Vygotskys teori, sin egen kunnskap og forståelse. Det kan være motiverende for elever å samarbeide med et praktisk forsøk og elevene kan få bruke sine ulike intelligenser, og dermed vise seg fra sine sterke sider i undervisningen. Presentasjonen kan gjøres eventuelt muntlig ved Power- Point, eller levere inn rapport på Fronter eller publiseres på klassens fellesside (dersom de har noen). Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 8 av 9

9 7 Kilder Bøker: Folkvord, Kari og Grethe Mahan (2007): Levende naturfag et elevaktivt klasserom. Tapir Akademisk Forlag Imsen, Gunn (2005): Elevens verden. Innføring i pedagogisk psykologi. 4. utg. Oslo: Universitetsforlaget Van Marion, Peter og Alex Strømme (2008): Biologididaktikk (red.). Høyskoleforlaget o Peter van Marion, praktisk arbeid. I van Marion og Strømme (2008): Biologididaktikk (red.) Høyskoleforlaget o Tone Nergård, undervisningsvariabler og elevenes holdninger til naturfag. I van Marion og Strømme (2008): Biologididaktikk (red.) Høyskoleforlaget Internett: Kunnskapsdepartementet. (2006). Læreplanverket for Kunnskapsløftet. Utdanningsdirektoratet. Lokalisert 17. september 2009 på Verdensveven: nnskapsloeftet/kunnskapsloftet_midlertidig_utgave_2006_tekstdel.pdf Kunnskapsdepartementets rammeplaner for høyere utdanning. Lokalisert 17. september 2009 på Verdensveven: I pdf-format: 08.pdf Store norske leksikon. Lokalisert 17.september 2009 på Verdensveven: Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 9 av 9