Naturvetenskaplig Problemlösning
- en "tidsmaskin" för samarbete över ämnesgränserna inom
Det Virtuella Universitetet

(Abstract in English)

Naturvetenskaplig Problemlösning

Genom att studenterna inom utbildningsprogrammet Naturvetenskaplig Problemlösning har tillgång till egna datorer inom varje grupp kommer de att kunna utnyttjas som en "tidsmaskin" för att utveckla undervisningsmaterial och undervisningsformer som utnyttjar de möjligheter datorerna öppnar. Numeriska studier av matematiska samband som beskriver fysikaliska förlopp är en naturlig del i utbildningen, liksom naturligtvis WWW-baserad informations-sökning och presentation.

Vi tror att många av erfarenheterna och en del av materialet från detta arbete också kan vara av mer allmänt intresse för andra utbildningar inom våra ämnesområden. WWW är ett viktigt hjälpmedel i denna kurs och kommer att utnyttjas oavsett vilket ytterligare stöd som ges. Däremot kommer ett riktat stöd att möjliggöra en tidigare spridning av en del av materialet till andra kurser. Som exempel på konkreta delprojekt diskuterar vi närmare:

Inom arbetet kommer vi också att efterstäva nogrannhet med att ge referens till olika informations- och inspirations-källor. Vi tror att detta kommer att vara nödvändigt att utveckla en god kultur för detta även m.a.p. läromedel (vilket inte alltid är fallet idag!) om lärare skall vara villiga att dela med sig av sitt material!

Utbildningsprogrammet: "Naturvetenskaplig Problemlösning"
Kommunikations-möjligheter och utmaningar

I det nya utbildningsprogrammet "Naturvetenskaplig Problemlösning" (som startats med stöd av Grundutbildningsrådet) vid GU samlas lärare inom matematik, datavetenskap, fysik och miljövetenskap kring en utbildning avsedd att ge större helhetssyn och bättre förmåga att kombinera kunskap från olika ämnesområden. PBL - Problembaserat lärande - och projektarbeten är viktiga inslag. Inom denna utbildning finns unika möjligheter till ämnesövergripande synsätt och att hitta exempel där flera olika ämnen kan samverka.

Under detta första inledande år har vi haft c:a 30 elever som arbetat i fem olika basgrupper, med tillgång till grupprum och en arbetsstation per grupp. (Läs gärna hur några av våra elever presenterar sig on line (http://www.matnat.gu.se/utbildni/probleml/elever95/index.html) och berättar om hur de upplever utbildningen.) Varje basgrupp har under året haft en handledare inom matematik och en inom fysik.

Samverkan inte bara mellan ämnesområdena utan också mellan föreläsare och de olika grupphandledarna, och med ledningsgrupp, referensgrupp och den pedagogiska konsult som är knutna till utbildningen (och naturligtvis med studenterna!) innebär en speciell utmaning med avseende på kommunikation mellan olika grupper. Belastningen på föreläsaren har därigenom blivit mycket stor. Under våren har vi börjat utnyttja WWWs möjligheter för att lägga upp kursprogram och veckoprogram och även länkar till relevant bakgrundsmaterial. Vi upplever att detta i hög grad underlättat kommunikationen. Inför nästa år kommer detta att utnyttajs mera systematiskt redan från början.

Det innebär naturligtvis också en naturlig dokumentation av kursen, som underlättar insyn utifrån. Redan nu har över hälften av studenterna lagt upp egna hemsidor, och de har gruppvis redovisat projekt i form av Web-sidor. Deras projekt-arbeten under hösten har lagts upp som post-skriptfiler.

Programmering för vetenskapliga beräkningar

Vid planeringen av "Naturvetenskaplig problemlösning" inför nästa år försöker vi att ta WWW till hjälp och mer systematiskt utnyttja möjligheterna till samordning av olika avsnitt mellan de olika ämnena. T.ex. tror vi att numerisk och grafisk behandling av derivator och integraler i samband med studier av läge, hastighet, acceleration underlättar förståelsen av begreppen derivata och integral och gränsövergången till infinitesimala steg. Samtidigt kan man även genom enkla numeriska numeriska metoder studera fysikaliska fenomen som är svåra att lösa analytiskt (t.ex. kastbana med luftmotstånd, kometinfångning i planetsystem...). Numeriska problem som uppstår vid utnyttjande av enkla metoder kommer samtidigt att utgöra motivation för mera avancerade numeriska metoder. Genom att redan från början utnyttja datorer för beräkningar och illustrationer kommer de att vara ett naturligt hjälpmedel för studenterna.

Utvecklingen av dessa problem kommer också att ske i samverkan med utvecklingen av en ny kurs i "Programmering för fysiker" där numeriska beräkningar för fysikaliska problem kommer att vara ett viktigt inslag. Vi kommer också att samarbeta nära med Claes Johnson som arbetar för en närmare integration av dessa ämnen inom civilingenjörsutbildningen. En WWW-baserad dokumentation av detta arbete kommer att underlätta för andra kurser att utnyttja problemen.

Levande laborations-PM.

I samband med höstens första projektarbete där man studerar jordens egenskaper, kommer studenterna att få "väga jorden" med Cavendish's experiment. Med extra resurser, t.ex. i form av en student som arbetar c:a 6 veckor under sommaren, tillsammans med c:a 2 veckors lektorsarbete för handledning och kontakt med aktuell forskning, skulle man kunna företa en omarbetning av existerande Lab-PM till ett WWW-baserat PM med länkar till förklaringar (tex. om pendel-rörelse och torsion, liksom differential-ekvationer för harmonisk svängning) som är bra att känna till för förståelsen. I takt med att kursbrev till distansundervisnignen blir tillgängliga på WWW kommer man att kunna utnyttja hypertext-möjligheten för att ge referenser till relevanta kapitel. Samtidigt kan man, som tips för deras vidare studier inom eller utom projektarbetet, ge länkar till Fysikaliska konstanter on-line, där man upptäcker att just gravitations-konstanten är bland de sämst kända naturkonstanterna. Sedan följer länkar till moderna gravitations-experiment, som utnyttjar många spektakulära metoder som ofta ändå kan förstås medrelativt begränsade fysikkunskaper (Schweizisk damm, satellit, extremt nogranna vågar och noggrann positionsbestämning, "fifth force" ...) Lab-PM kommer att också att kunna fortsätta leva genom att lägga in länkar till delar av studenters projektarbeten med ankytning till gravitation.

Detta lab-PM skulle också kunna vara en del av en studentredovisning, men genom att göra ett sådant Lab-PM i samverkan mellan studenter och lärare (som får ett övergripande ansvar för utformningen) skulle man mer systematiskt kunna utveckla en god WWW-stil för arbeten av detta slag.

I närkamp med rymden

NASA erbjuder via WWW fantastiska bilder från olika rymdfärder, men också många detaljer, som skulle kunna tas som utgångspunkt för beräkningsproblem. Genom att en astrofysiker arbetar inom lärarlaget kommer vi under nästa läsår att ta vara på denna möjlighet.

Problemsamling Liseberg

Ett nöjesfält är en utmärkt plats för att studera Newton's lagar i allmänhet, och centralrörelse i synnerhet. Att känna tyngdlöshet, eller uppleva 3g är något helt annat än att addera vektorer på papper! Förra hösten gjorde studenterna ett inledande projekt i samband med ett Lisebergsbesök. För att bättre kunna förbereda och kunna få ut ännu mer av ett sådant besök skulle man, i samarbete med Liseberg, kunna ta fram WWW-sidor som beskriver deras attraktioner med bild och med tillräckligt mycket data för att kunna utnyttjas för fysikaliska studier. Eventuellt skulle man kunna lägga upp filer med koordinater för t.ex. Lisebergsbanan, och den nya attraktionen Hang-Over. Dessa skulle sedan kunna utnyttjas för programmeringsövningar för att åskådliggöra rörelsen på en datorskärm, och samtidigt kunna illustrera hur krafterena varierar. De olika programmen för "Top Spin" ger prov på många komplicerade sammansatta rotationsrörelser. Med lättillgänglig information om dessa skulle man kunna utnyttja numeriska beräkningar för ökad förståelse.

Material om Liseberg borde vara av intresse också t.ex. i lärarutbildningen och för skolorna.

Regional Alternativ Energi

Under vårterminen har studenterna genomfört studiebesök på anläggningar för alternativ energi. Förutom praktisk information skulle man kunna lägga upp samlingar av bra länkar i anslutning till de olika energi-slagen, och kanske också kunna hjälpa de aktuella företagen att ta fram en bra WWW-presentation. Här finns bra mycket material on-line, att ta vara på, men vi skulle här kunna komplettera med regional anknytning och information om de förhållanden som är aktuella för västkusten.

Kommunikation

WWW öppnar helt nya möjligheter för olika lärare inom högskolan att kommunicera. Om man lägger kursplanering, och kanske även lektionsplanering på WWW så ökas möjligheterna till koordination mellan olika kurser som läses samtidigt av eleverna. Det underlättar för lärare i efterföljande kurser att se vilket material eleverna har gått igenom. Om en lärare vill lägga om en kurs skulle tidigare elever kunna följa ändringarna och ge synpunkter på ett relativt tidigt stadium.

Ett virtuellt universitet kan inte ersätta den personliga kontakten mellan lärare och elever (även om elektronisk post kan vara ett mycket personligt medium). Inom detta program har mycket reella mänskliga kontakter varit en viktig del: Diskussioner i grupp, öga-mot-öga examination, diskussioner kring studenternas presentationer i lektioner och av projekt. Detta har inneburit utmärkta tillfällen att föra vidare ett vetenskapligt förhållningssätt, med en diskussion om vad man tar upp i rapporter och presentationer, hur man motiverar sina problem-avgränsningar, om man försummat några logiska steg, etc. Med samarbete och med IT till hjälp kan lärare få mer tid för denna personliga kontakt!

Ann-Marie.Pendrill@fy.chalmers.se, April 1996
Detta dokument är bäst on-line:
http://fy.chalmers.se/~f3aamp/teaching/vunp.html