20 januari arrangerade Nationellt centrum för naturvetenskapernas och teknikens didaktik forskarsamtalet Att utveckla STEM-undervisning på riktigt i Zoom. Tre aktuella forskningsprojekt tog upp centrala faktorer för att skapa en verklighetsnära, motiverande och väl fungerande undervisning med programmering som ett naturligt inslag i matematik, naturvetenskapliga ämnen och teknik.
Jonas Hallström är professor i teknikens och naturvetenskapernas didaktik vid Linköpings universitet. Han inledde med att berätta om sitt forskningsprojekt aSTEM: modeller och modellering för en autentisk STEM-undervisning. Projektet, som finansieras av Vetenskapsrådet, inleddes förra året och ska pågå under fyra år.
Tillsammans med kollegorna Konrad Schönborn och Per Norström ska Jonas Hallström ta fram ett ramverk för hur en autentisk och relevant undervisning i programmering, som integrerar matematik och naturvetenskap, kan bedrivas på naturvetenskapliga och tekniska gymnasieutbildningar. Idag saknas det i stor utsträckning både empirisk forskning och didaktiska resurser som visar hur en sådan ämnesintegration kan gå till. Här har aSTEM en viktig uppgift.
Det har traditionellt inte funnits någon självklar koppling mellan naturvetenskapliga ämnen, matematik och teknik (STEM) i skolan, men under de senaste par decennierna har ämnesintegrationens värde betonats allt mer i den internationella utbildningsdebatten. Argumentationen går ofta ut på att eleverna utvecklar kreativitet, innovationsförmåga och kritiskt tänkande, och det sägs i sin tur, på sikt, bidra till att stärka ett lands ekonomiska konkurrenskraft.
Inom bland annat industrin och it-branschen förenar man naturvetenskap, matematik och teknik för att hitta nya infallsvinklar och kunna skapa innovativa produkter och tjänster. I skolan kan det vara ett sätt att göra undervisningen mer autentisk och motiverande, samtidigt som eleverna blir mer aktiva och utvecklar och fördjupar sin förståelse.
Utgångspunkten i aSTEM är att eleverna ska lära sig att utveckla och pröva förklaringar av fenomen med hjälp av modeller som visar hur orsakssambanden ser ut. Det kan till exempel handla om att förutsäga hur komplexa system som vädret eller kroppens immunsystem kommer att bete sig. Modellering är ett viktigt arbetssätt i de enskilda ämnena, men det är också en möjlig väg att identifiera, integrera och tillämpa kunskaper från ämnena. Det kan både bli enklare att förstå hur systemen fungerar och att hitta passande lösningar på konkreta vardagsproblem.
Redan innan projektet startade, genomfördes en litteraturstudie som beskriver och analyserar vad forskning och beprövad erfarenhet säger om hur ett ramverk för en ämnesintegrerad och autentisk undervisning i programmering kan se ut. Under förra året har de tre forskarna arbetat med en delfistudie, där 28 internationella experter validerar och testar resultaten i litteraturöversikten samt bidrar med sina insikter och perspektiv.
Målet är att experterna efterhand ska enas om vilka delar ramverket ska bestå av. Två diskussionsrunder är avklarade, och snart är det dags för den tredje och avslutande rundan. När definitionen av vad som kännetecknar ett autentiskt lärande är klar, är det dags att utforma didaktiska moduler som kan användas i undervisningen. Jonas Hallström och hans kollegor kommer att följa användningen av modulerna och analysera hur undervisningen fungerar och vad eleverna lär sig.
KreTek – Kreativ teknologi og samskaping på ungdomstrinnet, är ett samarbete mellan Skolelaboratoriet på NTNU och Trondheims kommun som leds av Berit Bungum, professor i naturvetenskaplig ämnesdidaktik. I den här satsningen, som avslutas i år, arbetar lärare och forskare tillsammans för att utveckla och sprida en autentisk och skapande undervisning i naturvetenskapliga ämnen i grundskolan. Tonvikten ligger på programmering, kreativitet och djupinlärning.
Under 2020 infördes en ny läroplan i den norska grundskolan. Fokus ligger framför allt på att utveckla förståelse, att se sammanhang och att kunna tillämpa sina kunskaper i praktiken. Inom de naturvetenskapliga ämnena ses programmering som ett sätt att utforska olika fenomen och att utveckla sin förståelse av dem. Samtidigt lär sig eleverna programmering fungerar och hur den kan användas till att lösa konkreta problem. Målet med KreTek är att visa hur det här kan gå till i praktiken.
Eirik Lyngvær, som är lärare på Flatåsen skole i Trondheim, berättade om hur han lät sina elever i årskurs 9 designa och bygga en egen väderstation som skulle samla in data om vädret med hjälp av en programmerad micro:bit, olika sensorer och en nederbördsmätare.
Eleverna arbetade tillsammans i grupper om två eller tre. De valde att spela olika yrkesroller i arbetet med att planera, programmera, bygga och använda väderstationen, för att undervisningen skulle bli så autentisk som möjligt. Lärarens roll var att fungera som chefsmeteorolog.
Eirik Lyngvær berättade att han aldrig tidigare varit med om att eleverna varit så här engagerade i en skoluppgift. Det var särskilt tydligt under själva byggprocessen. Lektionerna genomsyrades av kreativitet, skapargläjde och en positiv inställning till arbetet. Undervisningen var ämnesövergripande och elevstyrd. Lärarens funktion var främst att fungera som facilitator och att underlätta och ge stöd åt elevernas arbete.
Tyvärr slutade arbetet delvis i antiklimax, eftersom väderstationerna blev förstörda helgen innan de skulle börja användas till att samla in data. Eirik Lyngvær menar ändå att det hela var lyckat, på grund av att eleverna utvecklade sitt lärande och sin förståelse av olika fenomen och processer under arbetets gång.
Trots att arbetet med väderstationen både väcker elevernas intresse och ligger väl i linje med läroplanen, fanns det lärare som vägrade att arbeta med det här projektet i sin undervisning. Enligt Eirik Lyngvær beror det på flera olika skäl. Ett är att det här sättet att undervisa innebär en hel del utmaningar för läraren. Det tar tid, kan vara svårt att styra och ställer höga krav på en mängd olika kompetenser. Därför är det nödvändigt att lärare kan ge stöd åt allt det här i sin undervisning, vilket inte är alldeles enkelt.
Ett annat skäl är att det inte alltid finns en kultur där det välkomnas att ämnesmålen ses i ett större sammanhang än läroplanens ramar. Det finns kanske andra mål än de som är direkt mätbara som är värdefulla för elevernas lärande och kunskapsutveckling?
I Sverige blev programmering en del av undervisningen i bland annat teknik i den revidering av grundskolans läroplan som trädde i kraft 2018. Eleverna ska lära sig hur programmerade tekniska lösningar fungerar och utveckla en förståelse för hur olika komponenter samverkar i enkla tekniska system. De ska även lära sig att styra egna konstruktioner med hjälp av programmering. Med andra ord handlar det om att få en allmänbildning i hur digital teknik fungerar och att börja utveckla ett kritiskt förhållningssätt.
Ann-Marie Cederqvist disputerade i september förra året vid Göteborgs universitet på en avhandling i ämnesdidaktik. I avhandlingen analyserar hon bland annat förutsättningarna för att elever ska lära sig förstå hur programmerad digital teknik fungerar.
Under forskarsamtalet i torsdags tog hon upp två delstudier i avhandlingen. I den ena delstudien presenterades elever i årskurs 5 och 6 för några programmerade vardagsföremål och några micro:bit-lösningar med programkod. Syftet var att ta reda på om eleverna lärde sig hur olika tekniska lösningar är uppbyggda och hur de fungerar. I den andra fick elever i årskurs 4, 6 och 8 i uppgift att bygga och programmera ett tjuvlarm genom att använda micro:bit. Här handlade det om att undersöka vilka tekniska kunskaper elever utvecklar när de skapar egna programmerade lösningar.
Ann-Marie Söderqvists slutsats i den första delstudien är att det inte är självklart att egen programmering leder till att elever förstår hur programmerade vardagsföremål fungerar. Den andra delstudien visar att elever behöver lära sig hur de olika komponenterna i larmet fungerar, hur de ska organiseras och styras och hur koden ska utformas för att de ska kunna lösa problemet.
Läroplanens övergripande mål är att elever ska utveckla en generell kunskap om hur programmerad digital teknik fungerar. Vad krävs för att det ska kunna förverkligas? Ann-Marie Cederqvist tar i sin avhandling upp fyra element som är avgörande.
Först och främst behöver eleverna lära sig grundläggande begrepp i programmering och träna sig i att skriva fungerande kod. De behöver också lära sig hur olika komponenter – exempelvis en ljussensor – fungerar och kan styras med programmering.
För det tredje är det nödvändigt att förstå hur de olika komponenterna ska organiseras och struktureras för att lösningen ska fungera – samt hur koden ska se ut för att delarna ska bilda en fungerande helhet. Det gäller också att sätta in tekniska lösningar i sin naturliga kontext, jämföra dem med liknande konstruktioner, se på skillnader och likheter, mönster och sammanhang, och så vidare.
Utan en grundläggande förståelse för hur tekniken och programkoden fungerar, är det omöjligt att utveckla ett kritiskt förhållningssätt till digitala tekniska lösningar och dess roll och funktion i vardagen.
