Prosjekt FYS 21: Empirisk-matematisk modellering i skolefysikken

1. Prosjekt FYS 21:Empirisk-matematisk modellering i skolefysikken Carl Angell (UiO) Øystein Guttersrud (UiO) Ellen Karoline Henriksen (UiO) Per Morten Kind (Durham University)

2. Å beskrive naturen med matematikk FYSIKK 1 • lage en eller flere matematiske modeller for sammenhenger mellom fysiske størrelser som er funnet eksperimentelt • bruke matematiske modeller som kilde for kvalitativ og kvantitativ informasjon, presentere resultater og vurdere gyldighetsområdet for modellene FYSIKK 2 • analysere ulike matematiske modeller for en fysisk situasjon, med og uten digitale verktøy, og vurdere hvilken modell som beskriver situasjonen best

3. Innhold: • Bakgrunnen for prosjekt FYS 21 • Seks utfordringer som motiverte oss i prosjekt FYS 21 • Eksempler på undervisningsmateriale i prosjekt FYS 21 • Eksempler på teoretiske oppgaver som skal måle modelleringskompetanse • Noen erfaringer med og resultater fra prosjektet

4. Bakgrunn • Et syn på fysikk som “modeller av virkeligheten”: • Fysikk dreier seg om å lage (matematiske) modeller av virkeligheten • Å arbeide med fysikk dreier seg i økende grad om å utvikle, teste og bruke modeller. • Dette bør reflekteres i skolens fysikkfag • Modellering som metode for å lære fysikk • Modellering som metode kan bidra til å løse en del utfordringer i fysikkfaget

5. Seks utfordringer som motiverte prosjekt FYS 21 • Bruk av, og veksling mellom, ulike representasjoner av fysiske fenomener • Eksperimentets rolle i fysikken • Forholdet mellom matematikk og fysikk • Å forstå “naturvitenskapens vesen” • Fruktbare læringsstrategierfor å oppnå forståelse i fysikk • Trening i vitenskapelig arbeids- og tenkemåte

6. Ulike representasjoner av fysiske fenomener Fysikk kan virke vanskelig fordi det krever at elever skal kunne håndtere en rekke ulike representasjonsformer av fysiske fenomener (eksperimenter, grafer, verbale beskrivelser, formler) på én gang (J. Dolin, 2002).

7. Feno-men Multiple represen-tasjoner beskriver fenomenet v = gt s = ½ g t2 Lengde (m) Grafisk Bilde/dia-gram Verbal (begreper) Mate-matisk Eksperi-mentell Tid (s) Ballen faller med tyngdens akselerasjon. mg En framstilling av modellerings-tenkningen i prosjekt FYS 21 Fenomen: Å lage modell av fenomenet: Modell: Å lære modellen: Skifting mellom representasjonsformer Å beherske modellen: Bruk av og skifting mellom ulike representasjoner som tilsammen utgjør modellen av det fysiske fenomenet

8. Prosjekt FYS 21 – en oversikt • Strategi: å introdusere modelleringsaspektet i fysikken i mer omfattende og systematisk grad enn vanlig i norske fysikklasserom • 10 skoler, nesten 20 fysikklærere og nesten 300 elever deltok i prosjektet, prøvde ut undervisningsmateriale og aktiviteter med fokus på empirisk-matematsik modellering og vitenskapelig tenkemåte. • Oppstart og seminarer 2003-2004; “pilot-år” 2004-2005; full implementering 2005-2006 • Seminarer og møter for involverte fysikklærere gjennom hele perioden • En stipendiat studerer prosjektet og elevers modelleringskompetanse

9. Undervisningsmateriell for FYS 21 • Elevhefte • Hva er fysikk? • Fysikkens mål: “forklaring” eller beskrivelse? • Naturvitenskapelig arbeids- og tenkemåte • Modelltyper • Matematiske modeller • Lærerhefte • Plan for skoleåret • Om modeller og modellering • Forslag til modelleringsaktiviteter • Naturvitenskapelig tenkemåte http://www.fys.uio.no/ skolelab/FYS21/

10. Modelleringsaktiviteter i FYS 21 Første “obligatoriske” modelleringsøvelse: finn en sammenheng for nedbøyningen til en plastlinjal som funksjon av belastningen. Linjalen festes til et bord. Belastningen kan være forskjellig antall like gjenstander (for eksempel spiseskjeer Belastningen måles i antall gjenstander

11. Modelleringsaktiviteter i FYS 21 • Kraft på seigmann som funksjon av forlengelse • Ulik “fjærkonstant” for ulike farger? • Ulik “fjærkonstant” for første i forhold til for annen gangs strekking? • Intervall for linearitet?

12. To muffinsformer oppi hverandre faller ganger så langt som én Modelleringsaktiviteter i FYS 21 • Et kvasi-kvalitativt eksperiment med fallende muffinsformer R mg

13. Luftmotstand som funksjon av fart – H1

14. Luftmotstand som funksjon av farten i annen – H2

15. Modelleringsaktiviteter i FYS 21 Kraften mellom to magneter • De fleste elevene fant en - avhengighet der n var mellom 1 og 2, og x var avstanden mellom magnetene.

16. Lengde (m) Tid (s) Modelleringsaktiviteter i FYS 21 Innføring av bevegelsesligningene basert på forsøk: “Trilling av lærer i trillebår med konstrant fart” på Nesbru Generell tilnærming: Eksperiment  graf  Modell (uttrykt som formel)