Styrkelse af folkeskoleelevers modelleringskompetencer gennem et tværfagligt samarbejde mellem naturfag og matematik

Formålet med ph.d.-afhandling er at udvikle designprincipper til en tværfaglig undervisning mellem matematik og naturfag, hvor fagene indgår som ligeværdige aktører. Ideen i projektet har været at anvende modeller og modellering som den faglige og fagdidaktiske ramme for denne integration, idet modeller og modellering er vigtige aspekter af begge fagområder. Forskningsprojektet er et designbaseret studie, der er foregået i et tæt samarbejde med otte lærere fra tre syddanske folkeskoler. I projektet indgik ligeledes to undervisere og 15 studerende fra læreruddannelsen. I projektet blev der foretaget tre interventioner på de tre skoler. Samarbejdet var organiseret i et professionelt læringsfællesskab (PLF). Projektet består af tre dele. Første del af projektet omfatter en analyse af eksisterende praksis omkring anvendelse af modellering i matematik og naturfag og en afsøgning af forskningslitteraturen for konkrete designprincipper til udvikling af første intervention (artikel 1), samt inspiration til hvordan vi i PLF metodisk og analytisk kunne indsamle, analysere og sammenligne data med eksisterende forskning på området. Anden del af projektet er et
’mixed-metode’-studium (QUAN ➝ qual) (artikel 2), som undersøger den første intervention. Første intervention undersøgte blandt andet, hvordan elever kan udvikle egne modeller i deres forståelse af et komplekst fænomen fra den virkelige verden. I den kvantitative del af undersøgelsen er der anvendt elevgenererede modeller fra seks ud af de 10 klasser. Modellerne (N=145) er blevet transskriberet og efterfølgende analyseret ved hjælp af holistiske rubrics og tilpasset den konkrete intervention. I den kvalitative del af undersøgelsen er udvalgte interviews (N=10) anvendt for at underbygge de kvantitative resultater. Resultatet af den første intervention viser en signifikant udvikling af elevernes modelbaserede forklaringer af det komplekse fænomen, og at deres modeller var et vigtigt værktøj, der gjorde dem i stand til at huske og forklare processer, der havde indvirkning på dette. Det stod dog også klart, at kun ganske få elever kunne anvende matematisk modellering i deres modelbaserede forklaringer. Tredje del af projektet omhandler de sidste to interventioner, som bygger videre på designprincipper fra første intervention. Anden intervention foregik på en skole i tre 8. klasser. Til den empiriske del blev der indsamlet data i form af semistrukturerede interviews (N=18) og elevgenererede modeller (N=81). Igennem interventionen og den efterfølgende bearbejdning af data stod det dog klart, at denne integration ikke var opnået. Eleverne anvendte matematikken yderst begrænset i deres forståelse af det komplekse fænomen. Denne indsigt førte til en analyse af vores data sammenholdt med tilsvarende data fra mit miljøskifte ved University of Washington (Seattle), og dette arbejde resulterede i udarbejdelse af designprincipper for at støtte elevernes modelleringspraksis (artikel 3). Tredje intervention er et overvejende kvalitativt studium (artikel 4). Til den empiriske del blev der indsamlet data, igen i form af semistrukturerede interviews (N=9) og elevgenererede modeller. (N=45). De semistrukturerede interviews er analyseret ved hjælp af tematisk analyse, og modellerne ved hjælp af en kodningsmanual inspireret af den matematiske modelleringscyklus. Resultater fra tredje intervention viser, at eleverne er i stand til at anvende egne undersøgelser, teoretisk viden og modeller i deres modelbaserede forklaringer. Den tematiske analyse viste endvidere, at eleverne er i stand til at bruge den matematiske modellering i deres forståelse af de naturvidenskabelige processer, og at eleverne fandt det relevant at anvende deres matematiske resultater i deres forklaringer og løsninger af det komplekse fænomen. På baggrund af disse tre interventioner og de fire artikler vil jeg i denne afhandling endvidere komme med designprincipper til et fælles rammeværk for matematik og naturfag inden for modellering. Rammeværket indeholder et horisontalt plan: et komplekst fænomen, der skal kunne forklares eller løses ved anvendelse af matematisk modellering, og et vertikalt plan: matematisk modellering, naturvidenskabelige undersøgelser, modelleringsaktiviteter. Dette rammeværk har en række implikationer for undervisning i grundskolen og på læreruddannelsen, som jeg vil adressere sidst i denne afhandling