Induktiv fysikundervisning

Torben Benoni, Viby Amtsgymnasium og HF

Fysik - og naturvidenskab i det hele taget - er kendetegnet ved den induktive metode, hvor teorier opstilles som generaliseringer af observationer og eksperimenter. Teorier og hypoteser udpeger nye eksperimenter, som kan teste disse og dermed bane vejen for nye forbedrede teorier. Altså en bevægelse fra enkeltstående, specielle tilfælde mod universelle love.

Undervisning i fysik (og andre naturvidenskabelige fag?) er derimod kendetegnet ved den modsatte bevægelse: Vi præsenterer fysikken som et deduktivt system.

I fysikundervisningen præsenteres eleven først for teorien - muligvis sandsynliggjort ved demonstrationsforsøg eller omtale af fysiske fænomener. Dernæst trænes eleven i at løse opgaver og lærer derved betydningen og rækkevidden af teorien. Og endelig udføres eksperimenter for at bekræfte teorien eksperimentelt. Altså deduktion fra universelle love til specielle tilfælde. Læreren siger 'sådan er det, og det skal du lære'.

Eksperimenters rolle

Især den eksperimentelle dimension i fysikundervisningen lider under dette. For det er klart for alle de implicerede, at der ikke er noget på spil i eksperimentet. Der er ikke tale om en reel test af teorien, for eleverne ved godt, at denne teori har holdt gennem 200 eller 300 års udvikling med ægte eksperimentelle tests. Derfor handler elevernes fysikrapporter i bedste fald om, hvorvidt fejlkilder eller måleusikkerhed kan forklare den målte afvigelse fra teorien (som vi har ophøjet til universel sandhed).

I denne konstruktion er der ingen mulighed for, at eksperimenter i fysikundervisningen kan få en rolle, der minder om den, eksperimenter har i fysik som videnskab.

Vi har fjernet kernen i fysikken, nemlig den fascinerende detektivagtige søgen efter den bedst mulige beskrivelse af den fysiske verden.

Og vi risikerer ikke alene, at fysikundervisningen bliver kedelig - hvilket i sig selv er slemt nok. Vi risikerer også, at eleverne aldrig kommer til at forstå den afgørende rolle, eksperimenter spiller i naturvidenskab. At eleverne aldrig kommer til at forstå, at fysiske love ikke er ubestridelige sandheder, men blot er vores bedste bud på en forståelse af naturen på et givet tidspunkt i historien. Og at denne forståelse kan ændres på baggrund af eksperimenter. Og det er vel det allervigtigste, vi kan håbe på, at eleverne lærer i fysikundervisningen?

 

Af flere grunde er umuligt at tilrettelægge fysikundervisningen, så den udelukkende er induktiv.

Et ægte induktivt forløb kræver, at eleverne selv formulerer de indledende hypoteser, selv udtænker eksperimentelle opstillinger, som kan efterprøve disse, selv konkluderer, hvordan hypoteserne kan forbedres, og selv vurderer, hvornår teorien er tilstrækkelig underbygget til, at vi kan kalde det en god teori. Dette er selvsagt meget tidskrævende.

Desuden er projektets succes afhængig af, at eleverne faktisk kommer op med de rigtige ideer - hvilket fysikkens historie fortæller os, godt kan tage lang tid. Men den største forhindring er nok, at den søgte lov skal forblive en hemmelighed, indtil eleverne selv opdager den. Det kan f.eks. ikke lade sig gøre med Ohms lov - eleverne vil med det samme lugte lunten.

Eksempel på et induktivt forløb

Men måske det kan lade sig gøre med Archimedes' lov, tænkte jeg for et års tid siden. Og det blev baggrunden for introduktionsforløbet i fysikundervisningen i 1.y. For at projektet skulle lykkes, tænkte jeg, at eleverne først skulle lære noget om den naturvidenskabelige metode, om induktive og deduktive slutninger, om samspillet mellem teori og eksperiment/observation. De fik også til opgave at lave en klassisk densitets-øvelse, dels for at introducere eksperimentel praksis, herunder vurdering af eksperimenters pålidelighed, og dels var det afgørende for min skjulte dagsorden at få plantet begrebet densitet i deres bevidsthed.

To uger inde i 1.g blev eleverne således præsenteret for en meget enkel opstilling bestående af et bægerglas med vand og en isklump. I første fase skulle eleverne rense deres sind for viden om fysik og bruge deres nysgerrighed til at stille 'dumme' spørgsmål.

Heldigvis fangede de straks interesse for projektet og kom med mange gode spørgsmål: 'Hvorfor smelter isen?' og også det spørgsmål, jeg ventede på: 'Hvorfor flyder isen ovenpå?'.

 

Anden fase var at komme med hypoteser. Én foreslog, at det var på grund af vægten, men det kunne en anden elev straks afvise, idet en møtrik, lettere end isklumpen straks faldt til bunds. Et eksempel på en teori, der var god nok til at forklare de første observationer, men som ikke kunne modstå en kritisk efterprøvelse.

I tredje fase blev eleverne delt op i mindre 'forskningsgrupper', der skulle forsøge at forbedre hypotesen, og ret hurtigt kom alle grupper frem til, at det har noget med densitet at gøre. Blokken sluttede med, at en af grupperne fremlagde en matematisk version af hypotesen:

Gruppen havde endda lavet endnu et forsøg med en træklods, som også underbyggede hypotesen.

I næste blok ville jeg have eleverne til at udbygge teorien, og henledte deres opmærksomhed på, at en korkprop ikke flyder på samme måde som isen. Igen gik eleverne ihærdigt til værks, der blev udført mange eksperimenter med ægte forsker-ånd, men det var en stor opgave at skulle samle resultaterne i en matematisk lov. Men inden blokken var omme, var hypotesen forbedret til:

        

Hypotesen var desuden underbygget af detaljerede eksperimenter, som viste at densitetsmålinger for stofferne og nedsynkningen stemmer overens med formlen, indenfor den vurderede måleusikkerhed.

Først da vi mødtes til den tredje blok, var det gået op for en af eleverne, at det var Archimedes' lov, de havde genopdaget. Vi overbeviste hinanden om, at ovenstående formel er ensbetydende med formuleringen: massen af den borttrængte væske er lig massen af det flydende legeme (beviset fylder fire linjer). Afslutningsvist fik eleverne til opgave at beskrive hele forløbet i en utraditionel fysikrapport om den naturvidenskabelige metode og Archimedes' lov - og det var forrygende læsning.

Nogle måneder senere, efter behandlingen af emnet kræfter, kunne vi så vise, at elevernes formel også er ensbetydende med fysikbogens formulering af Archimedes' lov.

Fysikfagets identitet

Selvfølgelig kendte de fleste elever Archimedes' lov i forvejen i formuleringen 'du ser kun 1/10 af isbjerget', hvilket var stærkt medvirkende til, at de overhovedet kom frem til noget. Men pointen er her, at eleverne oplevede sig selv som forskere, der opdager Archimedes' lov, og lærte derved ikke blot hvordan den naturvidenskabelige metode fungerer i praksis men lærte også at forholde sig kritisk til de fysiske teorier.

Gennem hele 1.g og nu, hvor klassen er startet i 2.g er Archimedes-projektet vores fælles referenceramme for, hvordan fysikken udvikler sig. Også i de helt traditionelle forløb, vi har haft, forholder klassen sig mere kritisk til teoriernes rækkevidde og underbyggelse. Men det er især i forhold til det eksperimentelle arbejde, at jeg mærker en forskel. De forstår, hvorfor vi laver eksperimenter, også når jeg underviser efter en deduktiv skabelon.

Som nævnt indledningsvist mener jeg ikke, det er muligt at tilrettelægge hele undervisningen induktivt. Men enkelte eksemplariske forløb kan have en stor betydning for elevernes opfattelse af fysik og fysikundervisning. Lignende induktive forløb vil kunne laves med f.eks. resistivitetsformlen eller specifik varmekapacitet.

Jeg er ikke i tvivl om, at det er i de tre blokke, hvor klassen selv fandt frem til Archimedes' lov, at de har lært mest fysik - også selvom ingen af dem skulle kunne huske Archimedes' lov om to år. For i de tre blokke lærte de, hvad naturvidenskab er.

 

Med den forestående gymnasiereform, er det mit håb, at fysikfaget i det nye fagbilag, vil påtage sig sin forpligtelse som det fag, der skal vise naturvidenskabs identitet.

Videnskabsteoretiske aspekter bør få en mere central rolle i fysikundervisningen, så vi kan slippe af med positivismens billede af fysikken. Eleverne skal lære, hvad naturvidenskab er, hvordan naturvidenskaberne udvikler sig, og at naturlovene blot er teorier, som eleverne selv kan være med til at forbedre med tiden.

Artiklen er fra LMFK-bladet, 7/2003 og bringes med tilladelse fra forfatteren.