Numeriske metoder og programmering i fysikk 1

Abstract

Med fagfornyelsen ble det vedtatt at norske fysikkelever skal arbeide mer digitalt. Denne digitaliseringen kommer spesielt til syne i fysikk 1 gjennom kompetansemålet: «… eleven skal kunne bruke numeriske metoder og programmering til å modellere og utforske bevegelser i situasjoner der akselerasjonen ikke er konstant». Kompetansemålet krever at et helt nytt faginnhold, uten særlig tradisjon i skolen, innlemmes i fysikkfaget. Det er ikke entydig hva det å «kunne bruke numeriske metoder og programmering» innebærer, noe som medfører at kompetansemålet er ganske åpent for tolkning. Formålet med denne oppgaven har derfor vært å utvikle et undervisningsopplegg som kan imøtekomme kompetansemålet om numeriske metoder og programmering i fysikk 1. Forskningsarbeidet har i hovedsak vært kvalitativ, og inneholder aspekter av designbasert forskning. Studiens datamateriale er firedelt og består av elevbesvarelser på oppgaveark, elevbesvarelser på spørreskjema, lydopptak fra elevsamtaler fra timen og lydopptak fra gruppeintervjuer, som har blitt analysert tematisk.

Resultatene viser at numeriske metoder og programmering fint kan inngå som en naturlig og konstruktiv del av undervisningen i fysikk 1. Både forskere og ingeniører bruker programmering til å gjøre numeriske beregninger. Å la elevene bli kjent med denne arbeidsmetoden, kan dermed bidra til å gjøre faget mer autentisk og føre til at elevene får en dypere fysikkforståelse. Arbeidsmetoden åpner også opp for at elevene kan arbeide med virkelighetsnære problemer, som ikke lar seg løse analytisk. Utprøvingen av undervisningsopplegget viser at elevene, uavhengig av programmeringserfaring, i stor grad forstår prinsippene bak numeriske metoder. Elevene sliter imidlertid med å oversette numeriske metoder til programkode. Årsaken til dette virker i hovedsak å være at det kan være utfordrende for elevene å overføre programmeringen de har lært i matematikken til å løse problemer i fysikkfaget. Studien viser også at det er fare for kognitiv overbelastning dersom det ikke tas hensyn til at læring er situert.

As decided by the Norwegian government, students will be introduced to numerical methods and programming in physics courses in upper secondary level. One of the curriculum objectives in physics indicates that students should be able to use these methods to model and explore motions with a non-constant acceleration. In order to satisfy the curriculum objective, a completely new subject matter must be incorporated into the physics curriculum. There is also no clear explanation of what "being able to use" entails. As a consequence, the curriculum objective seems to be rather ambiguous. The purpose of this thesis is to develop a good and well considered lesson plan that satisfies the benchmark regarding numerical methods and programming. The research has been a predominantly qualitative procedure, and includes aspects of design-based research. The data material consists of student answers on worksheets, student answers on a survey, audio recordings of student discussions from class and audio recordings of group interviews, which have been thematically analyzed.

The results imply that numerical methods and programming can be implemented in physics courses in a natural and constructive manner. By introducing the students to numerical methods and programming in a way that reflects how it is used by scientists and engineers, the physics course becomes more authentic. As a result students can be assigned real life problems that can not be solved analytically, which they may find more interesting and appealing. The results show that the students, regardless of their programming experience, understand the principles behind numerical methods. The students did however struggle to put the numerical method into code that could be interpreted by a computer. The main reason for this seems to be that the students find it hard to use the programming skills they learned in mathematics to solve problems in physics courses. The results also show that if the situated learning model is not considered, there is a chance of cognitive overload.