naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 1 av 10 Elevers forståelse av elektrisitet Mye av de siste tiårenes forskning innen naturfagsdidaktikk har gått ut på å identifisere elevenes forestillinger, "teorier" og tenkemåter innen en lang rekke naturfaglige emner. Interessen for denne typen forskning henger sammen med det konstruktivistiske synet på læring som vokste fram i samme periode, siden et konstruktivistisk læringssyn impliserer at man må kjenne elevens eksisterende forestillinger innen et emne for å kunne legge opp undervisningen på best mulig måte. Gjennom denne forskningen har man kartlagt en rekke såkalte hverdagsforestillinger, ikke minst innen elektrisitetslære. Vi skal se på noen av disse nedenfor. I konstruktivismen framheves viktigheten av at eleven blir bevisst sin spontane tenkemåte omkring et bestemt emne. Først når han eller hun kan se forskjeller mellom sin egen måte å tenke på og andres, kan eleven sette spørsmålstegn ved sin egen tankemodell. Like viktig er det at læreren kjenner til elevens måte å tenke på. En del av en lærers arbeid består jo i, så langt det er mulig, å velge ut de best tilpassede arbeidsoppgavene og spørsmålsstillingene til den enkelte elev det vil si de oppgavene som hjelper eleven videre i sin tenkning. Når det gjelder elektriske kretser, resonnerer elever ofte med hjelp av en såkalt forbruksmodell. Det hender også de tenker i sekvenser ved hjelp av en sekvensmodell. Strøm viser seg ofte å være elevens primære forklaringsbegrep. Spenning oppfattes ofte som en egenskap ved, eller konsekvens av strøm. Dette er i sterk kontrast til el-læren hvor spenning er det primære og strøm noe som følger av at det er en spenning. Disse ulike måtene å tenke på beskrives under. I kapittelet "Hvordan undervise" ser vi på undervisningsstrategier som kan hjelpe elevene å endre sin forståelse bort fra hverdagsforestillingene som presenteres her, og fram mot en mer naturvitenskapelig forståelse. Forbruksmodellen Den som ser på et vanlig elektrisk apparat, vil raskt observere at det går én ledning til apparatet. Lampa i taket og støvsugeren er et par eksempler. Det er nærliggende å tenke seg at det overføres noe fra uttaket i veggen gjennom ledningen til apparatet.
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 2 av 10 Om man i tillegg lytter til og tenker igjennom ulike uttrykk i det daglige språket, forstår man at dette "noe" er strøm eller elektrisitet og at det forbrukes. Man kan ofte høre: "Sløs ikke med strømmen!", "Så dyr strømmen er!" og "Vi må begrense strømforbruket". Med disse erfaringene vil det være naturlig å konstruere en forbruksmodell. Strømuttaket i veggen betraktes som en kilde til strøm på samme måte som batterier av ulike slag. Store batterier inneholder mye strøm, de små lite. Om man kopler et elektrisk apparat til en kilde, så gir kilden strøm til apparatet. Apparatet forbruker så strømmen helt eller delvis. Man kan også uttrykke dette ved at forbrukeren tar strøm fra kilden. Bare visse stoffer metaller leder strøm. Det må være kontakt mellom kilden og ledningen og mellom ledningen og apparatet. Forbruksmodellen sammenfattes nedenfor. Begrepet spenning, som forklarer hvorfor en strøm settes i gang, synes det ikke å være behov for i denne teorien. Strøm eller elektrisitet oppfattes som noe som finnes i batterier og andre kilder, og det er like naturlig for batterier å avgi strøm som det er for brus å renne ut av en flaske om betingelsene er de rette. Det naturlige behøver ingen nærmere forklaring. La oss nå tenke igjennom hvilke forutsigelser man kan gjøre om lyspærer og batterier på bakgrunn av forbruksmodellen. Hvordan skal man kople en lyspære til et batteri slik at den lyser? Ser vi på det sylinderformede batteriet, vil man kople som vist i figur A nedenfor. Den lille "knoppen" på batteriet stikker ut og blir derfor et naturlig kontaktpunkt. Når det gjelder lyspæra, tror mange elever at skrugjengene kun er til for å skru pæra fast i holderen. På flate batterier (som B, C og D på figuren nedenfor) ser det ut til at det er to steder å få strøm fra. Det vil for mange ligge til rette for å koble som i figur B. Kanskje tror man at det lyser svakere om man kopler som i C og D.
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 3 av 10 Selv om en elev etter undervisning har lært seg at et batteri har to poler og at strømmen går rundt i kretsen, kan han eller hun likevel anvende forbruksmodellen. Eleven kan for eksempel tenke seg at lyspæra i figur A nedenfor lyser ettersom strøm tappes av via nedre del av "knoppen" på lyspæra. Elever som har klart for seg at alle kretselementer har to poler, kan likevel anvende forbruksmodellen. Dersom flere identiske pærer koples i serie, slik som i figur B, så kan forbruksmodellen lede fram til ideen om at lampe 1 forbruker strøm. Lampe 2 får da mindre strøm og lyser svakere. Lampe 3 lyser således enda svakere. Alternativt kan en elev tenke seg at lampene "deler på strømmen". De tar dermed en tredjedel hver og lyser derfor like sterkt.
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 4 av 10 For parallellkopling kan man gjøre tilsvarende antagelser: Pærene i figur B nedenfor lyser svakere enn pæra i A (pærene antas å være like). Mange elever mener at et gitt batteri alltid og uavhengig av hvordan kretsen ser ut, gir fra seg samme mengde strøm. Dersom det er to lamper, så må de "dele på strømmen", og de lyser derfor svakere.
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 5 av 10 Sekvensmodellen Når en pære koples med et par ledninger til et batteri, så oppstår umiddelbart et elektrisk felt i kretsen. Metallatomenes løst bundne ytre elektroner "kjenner" umiddelbart og gjennom hele kretsen det elektriske feltet og begynner å bevege seg mot feltretningen. Men elektronene i lederen beveger seg ganske langsomt. Det er ikke snakk om mer enn brøkdeler av en millimeter per sekund (elektronenes driftshastighet). I en elektrisk krets vil en forandring ett sted umiddelbart merkes i hele kretsen. Det vil straks innstille seg en ny tilstand. Strømmen endrer seg praktisk talt i hele kretsen samtidig. Dette innebærer at man må betrakte hele systemet for å kunne forutsi og forstå hva som hender når man gjør en lokal forandring. I sekvensmodellen, som mange elever har, blir det tvert imot slik at strømmen påvirkes i tur og orden av de kretselementene (f.eks. lyspærer) den passerer. Her følger noen eksempler. R1 og R2 er to motstander som kan varieres. a) Hvis R1 blir mindre, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte! b) Hvis R2 blir mindre, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte! c) Hvis R1 blir større, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte! d) Hvis R2 blir større, kommer lysstyrken i pæra til å øke, minke eller være uforandret? Forklar hvordan du tenkte! Oppgavene ovenfor ble gitt til 230 engelske elever i alderen 12 16 år. De har alle blitt undervist i elektrisitetslære. Elevene tenker sekvensielt. Strømmen påvirkes i tur og orden av de kretselementene den passerer. Om en endring blir gjort i et gitt element, så påvirkes strømmen først når den kommer fram til dette elementet. Med andre ord kan man si at en forandring på ett sted i kretsen får konsekvenser "nedstrøms" men ikke "oppstrøms".
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 6 av 10 Andelen elever i undersøkelsen som anvender sekvensiell tenkning, øker fra om lag 35 % til 75 % mellom 12 og 14 år, og avtar siden til 35 % i aldersgruppa 14 16 år. Økningen skyldes blant annet at de oppgir ideen om at det går to motsatte strømmer fra pluss- og minuspolen, til fordel for en "sirkulerende strømmodell" men denne anvendes altså sekvensielt. Sekvensiell tenkning har også blitt studert i en belgisk undersøklese. En testoppgave vises i figuren nedenfor. a) Er strømmen i AB større enn, mindre enn eller lik den i AC? b) Er strømmen i DF større enn, mindre enn eller lik den i EF? Forklar hvordan du tenkte! Oppgaven ble blant annet gitt til elever på videregående skole i Belgia. Disse har mottatt grunnleggende undervisning om elektriske kretser. Universitetsstudenter i både Frankrike og Belgia, som har hatt ytterligere kurs i elektromagnetisme, har også svart på denne testoppgaven. Svarene deres fremgår av tabellen. Testoppgaven "Forgrenet ledning". Prosentvis fordeling av svar på ulike utdanningsnivåer. Type svar Videregående skole fysikkurs N = 47 Universitetsstudenter 1. år N = 52 Universitetsstudenter 2. år N = 59 AB < AC og DF < EF (riktig svar) AB = AC og DF < EF (sekvensmodell) Annet 36 51 6 Slik lyder et par typiske eksempler på sekvensiell tenkning: - I AB og i CD er det ikke mulig å se forskjellen mellom R og r. - Det er ingen mulighet for at strømmen kan være større i A-B enn i A-C, ettersom ingen resistans er koplet inn mellom disse punktene. 57 37 4 76 15 9
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 7 av 10 Strøm, spenning og energi Man kan forklare at det oppstår strøm i en leder enten ved at det finnes et elektrisk felt i lederen, eller at det er en potensialforskjell (forskjell i spenning) mellom punkter i lederen. Feltstyrke og spenning er med andre ord å betrakte som mer primære begrep enn strøm. En spenning eller et elektrisk felt kan eksistere uten at det finnes strøm. For elever er imidlertid strøm det primære begrepet. Spenning sees på som en egenskap hos, eller en konsekvens av strøm. I en tysk undersøkelse ble elevene bedt om å ta stilling til noen påstander. Resultatene fra tre av påstandene som dreide seg om strøm og spenning, er gjengitt i tabellen under. Gruppe 1 er elever i alderen 13 15 år, mens gruppe 2 besto av 36 kommende fysikklærere. Disse var, når undersøkelsen fant sted, i sitt fjerde eller femte studieår ved et universitet. Ti "eksperter", dvs. fysikere eller erfarne fysikklærere, utgjorde gruppe 3. Elever 13 15 år Lærerstudenter Fysikere 1. Spenning kan finnes selv om det ikke går noen strøm Ja Nei Ja Nei Ja Nei 25 64 94 6 100 0 2. Spenning er intensiteten eller kraften til strømmen. 36 54 6 94 0 100 3. Spenning er en del av strømmen 72 22 11 89 0 100 Tabellen viser at det er vanlig at elever tenker seg spenning som en del av, eller en egenskap ved strøm. Det er også vanlig å tro at spenning er det samme som strøm, og at strøm og spenning alltid opptrer sammen. I en annen undersøkelse tyder resultatene på at elevenes strømbegrep har mye til felles med energibegrepet. Strøm kan lagres, transporteres og transformeres (endres). Den kan også forbrukes på samme måte som olje og bensin. Undersøkelsen inneholdt både intervjuer og en skriftlig test hvor oppgaven var å avgjøre om en samling påstander var riktige eller gale. En del av den skriftlige testens feilaktige påstander var hentet fra de forutgående intervjuene. Testen har bl.a. vært gitt til cirka 100 tyske elever før undervisning og til like mange franske elever etter undervisning i Ohms lov. Resultatene skiller seg ikke merkbart fra hverandre. For eksempel var nær 90 % av elevene enige i påstanden "Lyspæra forbruker den elektriske strømmen". Cirka 80 % svarte at "Spenning og strøm alltid opptrer samtidig". Færre enn 20 % var enige i at "Lyspæra hindrer den elektriske strømmen". Om lag halvparten mener at det går strøm i ledningen til en tom lampesokkel i taket.
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 8 av 10 De studier som er gjennomført angående spenningsbegrepet, kan sammenfattes i følgende uttalelse: Strøm er det primære begrep som anvendes av elevene: potensialforskjell (spenning) betraktes som en konsekvens av strøm og ikke dens årsak. Til tross for at mye tid legges ned i å undervise om spenning, er det mange som ikke forstår dens sentrale rolle. Et mulig botemiddel er å introdusere halvkvantitative modeller eller analogier som forklarer at kildens rolle ikke bare er å avgi energi men også å "skyve på ladninger med et visst trykk". En del av forvirringen skyldes språkbruk: Vi "betaler strømregningen" mens det er ENERGI vi "forbruker", "strømmen kommer fra kraftverket", mens det er energi fra energiverket vi "forbruker". Elevers forståelse av strømnettet og det elektriske opplegget i hus Forskning tyder på at elever har en svak forståelse av hvor strømmen /spenningen/energien (jfr. diskusjonen ovenfor) "kommer fra" og hvordan det elektriske opplegget i et hus fungerer. For eksempel viser undersøkelser fra utlandet at en del barn tror at det "er elektrisitet i ledningen" til en lampe selv om denne er koblet fra strømnettet, og de er ikke klar over at de elektriske installasjonene i et hus er parallellkoblet. Tilførselen av energi fra energiverket er også uklar for mange barn (og voksne!). En test av elevers forståelse I en internasjonal undersøkelse (SISS) fra 1984 fikk elever i 9. klasse (den gang siste år i ungdomsskolen) og i 3. klasse i videregående skole følgende oppgave:
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 9 av 10
naturfag. Se skolenettet.no/veiledninger side 10 av 10 Det er svar A som er riktig. Feilsvarene illustrerer flere av de modellene vi har nevnt ovenfor av strømmen i en krets. Svarene fra 9.-klassingene fordelte seg slik: A B C D E 19 % 43 % 4 % 17 % 16 % Blant elever i 3. klasse i videregående skole var det fortsatt bare 19 % som svarte riktig (A), mens blant realfagselevene (de som hadde valgt fysikk, kjemi eller biologi linjefag) hadde 53 % valgt A. Prøv gjerne testen på dine egne elever! Jenters og gutters erfaring med elektrisitet Flere undersøkelser har dokumentert at det er forskjell på jenters og gutters erfaringer med elektrisitet. For eksempel er det langt flere norske gutter enn jenter på 13 år som har skiftet en sikring, festet en ledning på et støpsel, lekt seg med batterier, lyspærer og motorer og ladet et bilbatteri eller annet batteri. Det er også flere gutter enn jenter som er interessert i å lære mer om elektrisitet og elektronikk, og det er jevnt over gutter som skårer best på kunnskapstester i elektrisitetslære. Innenfor det konstruktivistiske synet på læring er tidligere erfaringer og kunnskap såvel som motivasjon viktige for elevens læringsprosess. Det er derfor viktig å være klar over denne forskjellen i utgangspunkt når man underviser i emnet elektrisitet. Et viktig mål blir å la jentene få arbeide selvstendig med forsøk innen området (rene jentegrupper kan være lurt!) slik at de kan opparbeide den erfaringen, selvtilliten og forhåpentlig også motivasjonen som guttene ofte allerede har på området.