KAPITTEL 3

Fysikk i videregående skole

Arne Hole og Liv Sissel Grønmo

3.1 Prestasjoner og deltakelse i fysikk

Som vi så i kapittel 1, finner vi en sterk tilbakegang i norske elevers fysikkprestasjoner når vi sammenlikner resultatene fra TIMSS Advanced 2015 med de tilsvarende studiene i 2008 (Lie et al., 2010) og 1995 (Angell et al., 1999). Målt på prestasjonsskalaen forankret i 1995-studien har Norge gått fra å være et høytpresterende land til å være et land som presterer omtrent på skalamidtpunktet. Samtidig er et iøynefallende trekk ved fysikkresultatene at de aller fleste land har gått tilbake. Som resultat av dette plasserer Norge seg fortsatt høyt på listen over fysikkprestasjoner i 2015. (Men merk at dekningsgraden er relativt lav.) Legger man utviklingen i de landene som har deltatt i TIMSS Advanced til grunn, kan det se ut som om vi har en generell negativ internasjonal trend når det gjelder fysikkprestasjoner over de to foregående tiårene. Man kan spørre seg om fysikk er et fag som for tiden nedprioriteres i den generelle internasjonale utviklingen av skolesystemene. Her må man imidlertid ta i betraktning at utvalget av land som deltar i TIMSS Advanced, er svært begrenset. For eksempel deltar ingen land fra Sørøst-Asia.

Som i matematikk har vi valgt noen land, såkalte referanseland, som vi sammenlikner med i en del figurer og tabeller. Landene er valgt på bakgrunn av at de har deltatt i tidligere TIMSS Advanced-studier, på bakgrunn av at de har en relativt høy andel elever som har valgt fysikk og matematikk siste året på videregående skole, og på bakgrunn av relevans i norsk skoledebatt.

Som nevnt er det viktig å poengtere at det er to tall som er avgjørende når det gjelder vurdering av resultater i TIMSS Advanced: prestasjonsdata (skår) og dekningsgrad. I fysikk deltar Norge med en populasjon som vi kan kalle fysikkspesialistene. Denne populasjonen består av de elevene i videregående skole som velger full fordypning i fysikk, altså programfaget Fysikk 1 på Vg 2 (12. trinn) og programfaget Fysikk 2 på Vg 3 (13. trinn). Fysikk er et viktig grunnlagsfag for ulike studier innen teknologiske og naturvitenskapelige fag, og derfor er det av stor betydning hvilken prosentandel av kullet det norske utdanningssystemet bringer opp til et gitt faglig nivå i fysikk.

Resultatene i kapittel 1 viser at den norske dekningsgraden i fysikk har gått nedover sammenliknet med tidligere studier: I 1995 utgjorde populasjonen av fysikkspesialister i videregående skole 8,4 % av årskullet. Det vil si at dekningsgraden var 8,4 %. I 2008 var dekningsgraden falt til 6,8 %, og i 2015 er den på 6,5 %. Her har man en markant annerledes utvikling i Sverige. Sverige deltok i 2015 med en fysikkpopulasjon som hadde dekningsgrad 14,3 %. Dette var en økning på 3,3 prosentpoeng sammenliknet med 2008. Likevel ligger Sveriges dekningsgrad i 2015 fortsatt under den svenske dekningsgraden i 1995, som var 16,3 %. Samtidig har Sverige fra 1995 til 2015 hatt et fall på 123 poeng i prestasjonsnivå, et fall som er enda mer dramatisk enn det norske fallet på 74 poeng. Slik sett kan man si at den negative utviklingen i fysikk i stor grad er felles for Norge og Sverige. Men ser man på tidsbildet tegnet av 2015-dataene alene, er dekningsgraden i Sverige (14,3 %) mer enn dobbelt så stor som den norske (6,5 %). Når det gjelder betydning for utdanningssystemet som helhet, bør forskjellen i fysikkskår mellom Norge og Sverige vurderes opp mot dette.

Data fra TIMSS-studier på ulike nivåer i skolesystemet gir også muligheter for å analysere hvordan prestasjoner for gitte årskull utvikler seg over tid. I forbindelse med fysikk fra TIMSS Advanced 2015 er det særlig relevant å sammenlikne med prestasjoner innen fagområdet fysikk i TIMSS 2011 for 8. trinn og prestasjoner innen fysikk/kjemi i TIMSS 2007 for 4. trinn. Kullet som utgjorde 4. trinn i 2007, utgjorde 8. trinn i 2011 og 12. trinn i 2015. Dette passer ikke helt med TIMSS Advanced 2015, siden denne undersøkelsen målte kullet som utgjorde 13. trinn i 2015. Imidlertid er det rimelig å anta at prestasjonene bakover i tid for foregående kull vil ha en sammenheng med tilsvarende prestasjoner for et gitt kull, forutsatt at det ikke er gjort vesentlige læreplanendringer eller liknende. I denne sammenheng er naturligvis innføringen av Kunnskapsløftet i 2006 relevant. Kullet som ble målt i TIMSS Advanced 2015, utgjorde 4. trinn i 2006. Sammenliknet med årskullet som ble målt på 4. trinn i TIMSS 2007 og deretter på 8. trinn i TIMSS 2011, har disse altså hatt ett år mindre andel av sin skolegang med Kunnskapsløftet som læreplan. Gitt måten Kunnskapsløftet ble innfaset på, er det imidlertid liten grunn til å anta at denne forskjellen har avgjørende betydning. Figur 3.1 viser prestasjoner for de omtalte årskullene.

F0001_55-78.jpg

Figur 3.1 Prestasjoner i fysikk for årskull som omtrent tilsvarer kullet av elever testet i fysikk på 13. trinn i TIMSS Advanced 2015. Landene uten data deltok ikke i studiene.

Sett med norske øyne indikerer figur 3.1 en positiv utvikling for de gitte årskullene over tid. Sammenliknet med de andre landene gjør de norske elevene det relativt dårlig i fysikk/kjemi og fysikk på henholdsvis 4. trinn og 8. trinn, men de går så forbi flere av de andre landene når vi beveger oss opp til 13. trinn. Dette kan indikere at lav prioritering av naturfag i grunnskolen ikke er det mest avgjørende for resultater i fysikk på 13. trinn. Det er grunn til å tro at andre faktorer spiller inn her. Blant faktorene vi omtaler i denne rapporten, er relasjonen mellom fysikk og matematikk. På den annen side er det rimelig å anta at kvaliteten på naturfagundervisningen i grunnskolen også påvirker dekningsgraden som måles i TIMSS Advanced fysikk. Det bør bemerkes at dekningsgraden naturligvis også påvirkes av andre faktorer, som for eksempel opptakskrav til ulike former for høyere utdanning.

3.2 Kjønnsforskjeller i prestasjoner og deltakelse

Tabell 3.1 viser prosentandeler av de testede fysikkpopulasjonene som er henholdsvis jenter og gutter. Norge er et av de landene som har lavest jenteandel i fysikk, det er bare Portugal som ligger lavere med 25 % mot vår 29 %. I land som Frankrike og Italia er nærmere halvparten av fysikkelevene jenter, henholdsvis 47 % og 46 %. At Norge har et mer kjønnsdelt arbeidsmarked enn mange andre land i Europa (SSB, 2016) ser altså ut til å avspeile seg allerede i de valg elevene gjør i videregående skole. Tiltak i Norge med sikte på å øke rekrutteringen av jenter til realfag ser ikke ut til å ha vært tilstrekkelige.

Tabell 3.1 Deltakelse og prestasjoner i fysikk i TIMSS Advanced 2015 fordelt på kjønn.
Land Skår Prosent av populasjonen
Jenter Gutter Absolutt forskjell Jenter Gutter
Libanon 417(5,2) 406 (6,4) 11 (8,2) 37 (1,5) 63 (1,5)
Sverige 448 (6,1) 459 (6,6) 11 (4,9) 41 (1,4) 59 (1,4)
Portugal 456 (6,2) 470 (5,1) 14 (6,8) 25 (1,9) 75 (1,9)
Russland 498 (7,9) 514 (7,3) 16 (5,8) 42 (1,2) 58 (1,2)
Norge 489 (6,0) 515 (4,8) 26 (5,3) 29 (1,2) 71 (1,2)
Slovenia 510 (6,5) 540 (3,7) 29 (8,6) 30 (1,7) 70 (1,7)
Italia 356 (7,3) 389 (8,4) 32 (7,8) 46 (1,1) 54 (1,1)
Frankrike 354 (4,2) 390 (4,6) 35 (3,8) 47 (0,9) 53 (0,9)
USA 409 (11,9) 455 (9,3) 46 (7,1) 39 (1,6) 61 (1,6)
KILDE: IEA's Trends in International Mathematics and Science Study –TIMSS Advanced 2015

I tabell 3.1 er prosentene regnet i forhold til totalt antall elever som ble testet. Vi ser at Norge er nær bunnen i jenteandel blant landene som deltok i TIMSS Advanced 2016 fysikk. Hvis vi regner prosenter i forhold til hele årskullet, blir noen av forskjellene enda tydeligere. Tabell 3.2 og figur 3.2 viser prosentandelen av hele årskullet jenter som tar full fordypning i fysikk i videregående skole. Tallene i denne tabellen framkommer fra jenteandelen i tabell 3.1 ved å multiplisere med landenes dekningsgrad i tabell 1.2 og der-etter multiplisere med 2. Vi antar altså her at hvert årskull som helhet består av 50 % jenter og 50 % gutter.

Tabell 3.2 Prosentandel av hele årskullet jenter som er med i populasjonen testet i fysikk i TIMSS Advanced 2015.
Land Beregning Prosent av jenteårskullet som velger fysikk
Slovenia 0,076·0,30·2 4,6
Frankrike 0,215·0,47·2 20,2
Sverige 0,143·0,41·2 11,7
USA 0,048·0,39·2 3,7
Russland 0,049·0,42·2 4,1
Norge 0,065·0,29·2 3,8

F0002_55-78.jpg

Figur 3.2 Prosentandel av hele årskullet jenter som er med i populasjonen testet i fysikk, TIMSS Advanced 2015, utvalgte land.

I Norge tok altså kun 3,8 % prosent av jentene i årskullet for TIMSS Advanced 2015 full fordypning i fysikk i videregående skole. Dette plasserer Norge nær bunnen på en liste over jenteandeler i årskullet som tilhører den testede populasjonen av fysikkspesialister. Det tilsvarende tallet for Norge i 2008-studien var 3,9 %. Sett i relasjon til kjønnspolitiske målsetninger for utdanning innen teknologi og realfag i Norge er dette verdt å reflektere over.

Disse tallene framstår enda mer dramatiske for Norge når man tar i betraktning at det i vårt land ikke finnes noen naturlig utvidelse av den testede populasjonen i fysikk. Det er ikke noe annet kursopplegg i fysikk til topps i norsk videregående skole enn det vi tester her; vi har ingen mulighet til å bringe den norske dekningsgraden opp ved å inkludere en annen fagkombinasjon. For matematikk kunne vi i prinsippet brakt den norske dekningsgraden opp ved å inkludere også elever fra Matematikk S2 (KD, 2006) i den testede populasjonen. Det er rimelig å tro at norske prestasjoner i matematikk da ville gått (kraftig) ned, men dekningsgraden ville gått opp. I fysikk i TIMSS Advanced 2015 var imidlertid alle elever som har fysikk fordypning til topps i videregående skole, inkludert i den testede populasjonen i Norge.

Tabell 3.1 viser også prestasjonsdata i fysikk fordelt på kjønn. Vi ser at norske gutter gjennomsnittlig presterer 26 poeng bedre enn norske jenter i fysikk. Denne forskjellen er signifikant, på samme måte som den var det i 2008-studien, hvor norske gutter presterte gjennomsnittlig 25 poeng bedre enn jentene. Endringen i prestasjonsgap mellom jenter og gutter fra TIMSS Advanced i 2008 til 2015 i Norge er imidlertid ikke signifikant.

3.3 Prestasjoner fordelt på kompetansenivåer

TIMSS Advanced 2015 har definert tre kompetansenivåer i fysikk, betegnet som avansert, høyt og middels kompetansenivå. Tekstboks 3.1 gir en generell beskrivelse av disse kompetansenivåene.

Tekstboks 3.1  Beskrivelser av de tre kompetansenivåene i fysikk, TIMSS Advanced

Avansert kompetansenivå (625 poeng i TIMSS Advanced måleskala)

Elevene viser forståelse for fysiske lover og løser problemer i praktiske og abstrakte kontekster. De anvender kunnskap om bevegelse av legemer i fritt fall, om varme og temperatur og om elektriske kretser og elektriske felt. Elevene viser teoretisk og praktisk forståelse for magnetfelt og egenskaper ved mekaniske og elektromagnetiske bølger, og viser teoretisk og praktisk forståelse for atom- og kjernefysikk. Elevene kan planlegge eksperimenter og tolke resultater, trekke ut informasjon fra komplekse diagrammer og grafer som representerer fysiske begreper, og bruke dette til å løse oppgaver, gjøre utregninger i flere trinn for fysiske størrelser i et bredt spektrum av fysiske kontekster, trekke konklusjoner om fysiske fenomener og gi for-klaringer som viser vitenskapelig kunnskap.

Høyt kompetansenivå (550 poeng i TIMSS Advanced måleskala)

Elevene anvender grunnleggende fysiske lover til å løse oppgaver i ulike situasjoner. De bruker kunnskap om kraft og bevegelse, viser forståelse for lovene om bevaring av energi og bevegelsesmengde, og bruker kunnskaper om varme og temperatur til å løse oppgaver. Elevene bruker kunnskap om Ohms lov og Joules lov til elektriske kretser, løser oppgaver om ladde partikler i elektriske og magnetiske felt, og bruker kunnskap om magnetfelt og elektromagnetisk induksjon til å løse oppgaver. De viser forståelse for fenomener tilknyttet elektromagnetiske bølger og kunnskap om kjerne-reaksjoner. Elevene tolker informasjon i komplekse diagrammer og grafer som representerer fysiske begreper, utleder formler og gjennomfører beregninger av fysiske størrelser i mange ulike fysiske kontekster, vurderer forklaringer på fysiske fenomener, og gir korte forklaringer som viser vitenskapelig kunnskap.

Middels kompetansenivå (475 poeng i TIMSS Advanced måleskala)

Elevene viser noe grunnleggende kunnskap om fysikken som ligger under en del ulike fenomener. De bruker sine kunnskaper om kraft og bevegelse til å løse oppgaver, anvender kunnskap om varme og temperatur på energioverføringer, og anvender bevaringslover i hverdagslige og abstrakte situasjoner. De viser kunnskaper om elektriske felt, punktladninger og elektromagnetisk induksjon. Elevene anvender kunnskaper om fenomener tilknyttet mekaniske og elektromagnetiske bølger og kunnskaper om atom- og kjernefysikk for å løse oppgaver. Elevene tolker informasjon i diagrammer og grafer for å løse oppgaver, beregner fysiske størrelser i mange ulike kontekster, og vurderer utsagn som er forklaringer på fysiske fenomener.

Tabell 3.3 viser prosentandelen av testede elever som når opp til de ulike kompetansenivåene i fysikk. Figur 3.3 illustrerer resultatene for referanselandene.

T0001_55-78.jpg

Tabell 3.3 Prosentandel elever som når de ulike kompetansenivåene i fysikk, TIMSS Advanced 2015.

F0003_55-78.jpg

Figur 3.3 Prosentandel elever som når de ulike kompetansenivåene i fysikk, TIMSS Advanced 2015, utvalgte land.

Tabell 3.4 viser trenddata for prosentandelene som når de ulike kompetansenivåene. I 1995 nådde hele 28 % av de norske elevene opp til avansert nivå i fysikk. Samtidig nådde de aller fleste elevene den gang (93 %) opp til middels nivå. I 2015 nådde kun 11 % avansert nivå, men enda mer slående er det kanskje at kun 64 % nå nådde opp til middels nivå. Mens det i 1995 altså var et fåtall elever som ikke oppnådde et middels godt kompetansenivå, er det omtrent 1/3 av elevene, altså en stor minoritet, som ikke oppnår dette i 2015.

Tabell 3.4 Prosentandel elever som når de ulike kompetansenivåene i fysikk, TIMSS Advanced 1995, 2008 og 2015.
Land Avansert nivå (625) Høyt nivå (550) Middels nivå (475)
Prosent elever Prosent elever Prosent elever
2015 2008 1995 2015 2008 1995 2015 2008 1995
Slovenia 17 12 ILM001_55-78.jpg 15 43 44 45 73 77 73
Russland 16 19 21 38 42 53 ILM002_55-78.jpg 62 66 77 ILM002_55-78.jpg
Norge 11 11 28 ILM002_55-78.jpg 35 43 ILM002_55-78.jpg 68 ILM002_55-78.jpg 64 79 ILM002_55-78.jpg 93 ILM002_55-78.jpg
Sverige 6 7 25 ILM002_55-78.jpg 21 30 ILM002_55-78.jpg 66 ILM002_55-78.jpg 46 62 ILM002_55-78.jpg 92 ILM002_55-78.jpg
USA 5   3 18   13 39   41
Italia 1 2   7 11 ILM002_55-78.jpg   22 31 ILM002_55-78.jpg  
Libanon 1 0   6 8   25 36 ILM002_55-78.jpg  
Frankrike 0   2 ILM002_55-78.jpg 2   16 ILM002_55-78.jpg 13   48 ILM002_55-78.jpg
ILM001_55-78.jpg Prosent i 2015 signifikant høyere
ILM002_55-78.jpg Prosent i 2015 signifikant lavere
KILDE: IEA's Trends in International Mathematics and Science Study –TIMSS Advanced 2015

Tabell 3.4 viser at utviklingen i Sverige er ganske parallell med den norske. De svenske fallene i prosenter er enda kraftigere, men på den annen side har Sverige har hatt en mye bedre utvikling i dekningsgrad enn Norge i løpet av disse tiårene.

I et internasjonalt perspektiv er det interessant å merke seg at i tabell 3.4 er det tilbakegang nesten overalt. Den brede nedgangen indikerer at slik TIMSS Advanced måler kompetanse i fysikk, har fysikk som skolefag vært på vikende front internasjonalt i de siste par tiårene. Imidlertid må det her tas med i betraktning at dekningsgraden har økt for en del land. Som tidligere nevnt er det også et vesentlig poeng at utvalget av land som deltar i TIMSS Advanced, er begrenset. For eksempel er ingen land fra Øst-Asia med.

3.4 Prestasjoner fordelt på fagområder

Tabell 3.5 viser prestasjoner i fysikk fordelt på fagområder for de seks utvalgte landene i fysikk i TIMSS Advanced 2015. Figur 3.4 illustrerer resultatene for disse landene.

Tabell 3.5 Prestasjoner fordelt på fagområder i fysikk, TIMSS Advanced 2015, utvalgte land.
  Russland USA Frankrike Slovenia Sverige Norge
Mekanikk og termodynamikk 514 462 327 541 455 503
Elektrisitet og magnetisme 515 380 339 530 455 514
Bølger og atom-/kjernefysikk 490 431 418 511 451 507

F0004_55-78.jpg

Figur 3.4 Prestasjoner fordelt på fagområder i fysikk, TIMSS Advanced 2015, utvalgte land.

Fra figur 3.4 ser vi at Mekanikk og termodynamikk er et relativt svakt område for Norge, mens Elektrisitet og magnetisme er relativt sterkt. Forskjellene er imidlertid små. Blant de tre fagområdene er det kun Mekanikk og termodynamikk som viser et prestasjonsnivå signifikant forskjellig fra den generelle fysikkskåren i Norge. Tallene i tabell 3.5 er ikke sammenliknbare med data fra 2008, siden inn-delingen i emneområder er endret. En overordnet konklusjon er at kompetansen til norske fysikkelever er tilnærmet jevnt fordelt over fagområdene. Dette er en annen situasjon enn vi finner i mate-matikk, der norske elever er spesielt svake i algebra og sterkere i geometri.

Norges prestasjoner innen termodynamikk (varmelære) er interessante å diskutere i sammenheng med endringene i læreplaner som ble gjort i 2006. Mens fysikkpopulasjonen som ble testet i 2008, fulgte planen fra Reform 94 (KUF, 1994), fulgte populasjonen fra 2015 den nye planen (KD, 2006). Blant endringene er at i den nye planen behandles en del temaer i termodynamikk (varmelære) kun kvalitativt, mens de i den tidligere planen ble gitt en kvantitativ og noe mer omfattende behandling. Vi kommer tilbake til dette i delkapitlene 3.5 (eksempler på oppgaver) og 3.7 (læreplaner).

Tabell 3.6 viser de ulike landenes dekning av de faglige temaene som inngikk i fysikkdelen av TIMSS Advanced 2015. Emneområdene i tabell 3.6 henviser til oversikten over temaer vist i tabell 3.7.

Tabell 3.6 Antall temaer i TIMSS Advanced fysikk som er dekket i landenes læreplaner.
Land All fysikk (22 temaer) Mekanikk og termodynamikk (9 temaer) Elektrisitet og magnetisme (6 temaer) Bølger og atom-/kjernefysikk (7 temaer)
Frankrike 15 5 3 7
Italia 17 4 6 7
Libanon 22 9 6 7
Norge 21 9 6 6
Portugal 19 8 5 6
Russland 20 9 6 5
Slovenia 22 9 6 7
Svergie 22 9 6 7
USA 21 9 6 6
KILDE: IEA's Trends in International Mathematics and Science Study –TIMSS Advanced 2015

Vi ser fra tabell 3.6 at det er godt samsvar mellom den norske læreplanen i fysikk og det faglige innholdet i fysikkdelen av TIMSS Advanced 2015. Merk imidlertid at denne måten å rapportere på ikke fullt ut beskriver distinksjonen mellom kvalitativ og kvantitativ behandling. I tilfellet A9 (se tabell 3.7) er det opplagt at loven for ideelle gasser etter læreplanendringen i 2006 ikke lenger kan betraktes som innenfor det norske pensumet. På den annen side er A9 i prinsippet innenfor norsk pensum, selv om behandlingen etter pensumomleggingen primært er kvalitativ. Manglende kvantitativ behandling slår likevel ut når elevene møter oppgaver i TIMSS Advanced. Se eksempeloppgave 4 i seksjon 3.5.

Tabell 3.7 Faglige temaer/emner i TIMSS Advanced 2015 fysikk.

TIMSS Advanced 2015 Mechanics and Thermodynamics Topics

1) Newton's Laws: Applying Newton's laws and laws of motion

2) Forces: Forces, including frictional force, acting on a body

3) Body Moving in a Circular Path: Forces acting on a body moving in a circular path; the body's centripetal acceleration, speed, and circling time

4) The Law of Gravitation: The law of gravitation in relation to the movement of celestial objects

5) Kinetic and Potential Energy: Kinetic and potential energy; conservation of mechanical energy

6) Conservation of Momentum: The law of conservation of momentum; elastic and inelastic collisions

7) The First Lawof Thermodynamics

8) Heat Transfer: Heat transfer and specific heat capacities

9) Ideal Gases: The law of ideal gases; expansion of solids in relation to temperature change

 

TIMSS Advanced 2015 Electricity and Magnetism Topics

1) Coulomb's Law: Electrostatic attraction or repulsion between isolated charged particles-Coulomb's law

2) Charged Particles in an Electric Field

3) Electrical Circuits: Electrical circuits; Ohm's law and Joule's law

4) Charged Particles in a Magnetic Field

5) Magnetism: Relationship between magnetism and electricity; magnetic fields around electric conductors; electromagnetic induction

6) Faraday's and Lenz's Laws: Faraday's and Lenz's laws of induction

 

TIMSS Advanced 2015 Wave Phenomena and Atomic/Nuclear Physics Topics

1) Mechanical Waves: Mechanical waves; the relationship between speed, frequency, and wavelength

2) Electromagnetic Radiation: Electromagnetic radiation; wavelength and frequency of various types of waves (radio, infrared, visible light, x-rays, gamma rays)

3) Thermal Radiation: Thermal radiation, temperature, and wavelength

4) Reflection, Refraction, Interference, and Diffraction

5) The Atom: The structure of the atom and its nucleus; atomic number and atomic mass; electromagnetic emission and absorption and the behavior of electrons

6) Wave-Particle Duality: Wave-particle duality and the photoelectric effect; types of nuclear reactions and their role in nature and society; radioactive isotopes

7) Mass-Energy Equivalence: Mass-energy equivalence in nuclear reactions and particle transformations

3.5 Eksempler på oppgaver i fysikk

Skal man vurdere relevansen av en studie som TIMSS Advanced for norsk skole, er kjennskap til hva studien faktisk måler rent faglig, avgjørende. Rammeverket for det faglige innholdet i studien gir et omtrentlig bilde av dette, men det er først og fremst eksempler på fagoppgaver fra studien som kan gi informasjon om vanskelighetsgrad og faglig vinkling i en norsk skolekontekst. Det er derfor avgjørende at man i studier som TIMSS Advanced åpent og grundig diskuterer så mange av de benyttede fagoppgavene som mulig. Offentliggjøring av alle oppgavene benyttet i TIMSS Advanced 2015 er ikke mulig på det nåværende tidspunkt, siden en betydelig andel av disse skal brukes også i neste gjennomføring av TIMSS Advanced, da som trendoppgaver. Oppgaver som ikke er trendoppgaver, kan i prinsippet offentliggjøres.

I denne rapporten gir vi kun fem eksempler på oppgaver i hvert av fagene matematikk og fysikk fra TIMSS Advanced 2015. I våre senere utfyllende rapporter for hvert fag vil vi følge opp med gjennomgang av alle oppgaver som kan offentliggjøres.

Eksempeloppgave 1 (PA23071)

Denne oppgaven er en flervalgsoppgave, og den ble i TIMSS Advanced 2015 målt til å ligge på middels kompetansenivå. Den er plassert under fagområdet Mekanikk og termodynamikk. Oppgavens tema er potensiell energi. Dette er et grunnleggende begrep innen mekanikk. Potensiell energi Ep er proporsjonal med høyden h over et valgt nullnivå. For å løse oppgaven korrekt må elevene for det første klare å tolke teksten. De må altså forstå at ballen ruller opp skråplanet inntil den stopper av seg selv og ruller ned igjen. Videre må de klare å tolke de grafiske framstillingene korrekt, noe som er en matematisk kompetanse. Alternativene C og D kan ikke være korrekte, fordi de viser en utvikling der potensiell energi først avtar og så øker. Fra resultatene ser vi at alternativ A er den mest valgte distraktoren. Dette er ikke overraskende, da denne i likhet med det korrekte alternativet B viser en situasjon der potensiell energi først øker og så avtar. For å skille mellom A og B må elevene bruke at kulen gradvis vil redusere farten sin oppover skråplanet inntil den når punktet der den snur. Da vil også høyden øke saktere. Dermed kan ikke potensiell energi øke jevnt, slik som vist i A. (IB i tabellen er forkortelse for ikke besvart.)

F0005_55-78.jpg

Land Prosent elever som svarer ulike alternativer
  A B C D IB
Slovenia 27 64 5 4 0
Sverige 19 61 6 14 1
Portugal 33 60 4 2 0
Libanon 33 60 3 3 1
USA 27 60 6 6 2
Norge 33 58 5 4 1
Frankrike 23 57 9 12 0
Italia 31 51 7 9 3
Russland 44 45 6 4 0
KILDE: IEA's Trends in International Mathematics and Science Study –TIMSS Advanced 2015

Vurdert i forhold til norske læreplaner for fysikk og matematikk tester denne oppgaven sentrale kompetanser. Den tester kjennskap til begrepet potensiell energi, evne til å forstå grafiske framstillinger og evne til å forestille seg en fysisk situasjon. Regneteknisk sett er oppgaven ikke vanskelig vurdert i en norsk skolekontekst. Fra resultatene ser vi at Norge gjør det relativt dårlig på denne oppgaven, i den betydning at Norges skår på oppgaven ligger lenger nede på listen enn Norges plassering på listen over generelle prestasjoner. Se tabell 1.2.

Eksempeloppgave 2 (PA33005)

Denne oppgaven er en åpen oppgave, og den ble i TIMSS Advanced 2015 målt til å ligge på middels kompetansenivå. Den er plassert under fagområdet Bølgefenomener og atom/kjernefysikk. Resultatene fra oppgaven er vist i tabellen.

Et dyr som lever i sjøen lager en lyd med en frekvens på 1,00 IO2 Hz under vannet.

Lyden blir fanget opp over vannoverflaten.

Lydhastigheten i luft ved 20 °C og 1 atm er 343 m/s. Hva er bølgelengden til lyden etter at den har kommet ut i luften når temperaturen er 20 °C?

Svar: ________________m

 

Land Prosent elever i ulike svarkategorier
Korrekt Ikke korrekt Ikke besvart
Portugal 73 16 12
Slovenia 72 20 8
Russland 64 17 19
Norge 59 24 17
Libanon 59 19 22
Sverige 53 28 19
USA 53 35 12
Frankrike 47 30 23
Italia 43 20 37
KILDE: IEA's Trends in International Mathematics and Science Study –TIMSS Advanced 2015

Oppgavens tema er lydbølger. For å løse oppgaven må elevene bruke at bølgenes frekvens ikke endres når bølgene går fra vann over til luft. Da vet de at lydbølgenes fart i luft er v = 343 m/s og at frekvensen er f = 100 Hz. De kan dermed bruke den kjente likningen v = λ·f til å finne bølgelengden l, som blir l = v/f = 3,43 meter.

Oppgaven er interessant blant annet fordi prosentandelen norske elever som besvarer den riktig, er såpass lav som 59 %. Det er rimelig å tro at dette har å gjøre med den praktiske fysikkforståelsen som kreves for å innse at frekvensen til lydbølgene bevares ved overgangen til luft. Antakelig ville enda flere norske elever fått til denne oppgaven hvis korresponderende verdier av frekvens og fart var eksplisitt oppgitt, slik at det bare var å sette inn i formelen.

Eksempeloppgave 3 (PA33058)

Denne oppgaven er en åpen oppgave, og den ble målt til å ligge på høyt kompetansenivå. Den er plassert under fagområdet Mekanikk og termodynamikk.

Rolf står på ski ned en bakke. Ved bunnen av bakken, når farten hans er 5 m/s, kolliderer han med David som står stille. De fortsetter sammen i samme retning. Rolf veier 60 kg og David veier 90 kg. Anta at det ikke er noen friksjon.

Hvilken felles fart har David og Rolf rett etter kollisjonen?

Vis arbeidet ditt, inkludert de likningene du bruker.

Svar: ________________ m/s

 

Land Prosent elever i ulike svarkategorier
Helt korrekt Delvis korrekt Ikke korrekt Ikke besvart
Norge 57 11 23 10
Slovenia 49 15 32 4
Libanon 47 17 24 12
Russland 37 33 15 15
USA 35 17 42 6
Portugal 29 5 45 21
Sverige 25 9 50 16
Italia 12 6 36 45
Frankrike 11 5 47 36

Som i eksempeloppgave 1 er temaet mekanikk. I motsetning til eksempeloppgave 1 krever imidlertid denne oppgaven at elevene gjør en utregning. Utregningen her må baseres på loven om bevaring av bevegelsesmengde (impuls). Bruker de denne loven, ledes elevene fram til en sammenheng av typen

60 kg · 5 m/s = (60 kg + 90 kg) · v

Her er v farten de skal finne. Løser man med hensyn på v, finner man at farten er 2 m/s.

Norske elever presterte meget bra på denne oppgaven; Norge er på toppen av listen internasjonalt. Dette setter det norske resultatet fra eksempeloppgave 1 i perspektiv. Prosentandelen norske studenter som fikk til denne oppgaven, er omtrent lik prosentandelen som fikk til eksempeloppgave 1, en oppgave som internasjonalt ble målt til å ligge på et lavere kompetansenivå. Det viser også at det langt fra er noe gjennomført trekk at norske elever gjør det dårligere på kvantitative oppgaver enn kvalitative. Jamfør delkapittel 6.6.

Eksempeloppgave 4 (PA33075)

Denne oppgaven er en åpen oppgave, og den ble målt til å ligge på høyt kompetansenivå. Den er plassert under fagområdet Mekanikk og termodynamikk. Resultatene fra oppgaven er vist i tabellen.

Oppgaven dreier seg om kvantitativ behandling av varmelære. For å finne riktig svar må elevene multiplisere vannets masse (0,5 kg) med temperaturdifferansen på 33 °C og den oppgitte spesifikke varmekapasiteten på 4,2 kJ per kg og grad. Multiplikasjon gir det korrekte svaret 69,3 kJ. (Avrunding til 69 kJ eller 70 kJ ble også godtatt.)

Markus drikker 0,50 l vann. Vannet har en temperatur på 4,0 °C og blir deretter varmet opp til 37,0 °C i kroppen hans.

Hvor mye energi kreves for denne økningen av temperatur i vannet? Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4,2 kJ/(kg-°C).

Vis arbeidet ditt, inkludert de likningene du bruker.

Svar: ________________kJ

 

Land Prosent elever i ulike svarkategorier
Korrekt Ikke korrekt Ikke besvart
Slovenia 77 21 2
Russland 68 24 9
Portugal 57 34 10
Sverige 53 31 15
Italia 39 23 38
Frankrike 29 43 28
USA 26 59 15
Norge 17 60 23
Libanon 12 38 51
ILDE: IEA's Trends in International Mathematics and Science Study –TIMSS Advanced 2015

Norge gjør det svært dårlig her. En sannsynlig forklaring er at denne typen varmelære etter læreplanomleggingen i 2006 (for Fysikk 2, gjeldende fra 2009) kun behandles kvalitativt (KD, 2006; KUD, 1992; KUF, 1994). Dette er en av oppgavene den norske TIMSS Advanced-gruppa vurderer som utenfor det norske pensumet i 2015. Etter læreplanen som gjaldt for kullet testet i 2008, ville oppgaven blitt vurdert som innenfor det norske pensumet. Mer om dette i delkapittel 3.7.

Eksempeloppgave 5 (PA33120)

Denne oppgaven er en flervalgsoppgave, og den ble målt til å ligge på avansert kompetansenivå. Den er plassert under fagområdet Elektrisitet og magnetisme.

F0006_55-78.jpg

Land Prosent elever som svarer ulike alternativer
  A B C D IB
Russland 23 50 16 8 2
Norge 33 39 12 13 2
Svergie 23 39 19 16 3
Slovenia 37 36 16 10 1
Libanon 18 28 26 15 14
Italia 24 27 28 14 8
USA 21 23 36 20 1
Portugal 11 13 42 31 3
Frankrike - - - - - - - - 100
KILDE: IEA's Trends in International Mathematics and Science Study –TIMSS Advanced 2015

Oppgaven er en beintfram anvendelse av kraftlikningen F= qv×B for en ladning q som beveger seg i et magnetfelt B med fart v, der vi har høyrehåndsregelen for kraftretningen. En typisk feil er å glemme at siden dette er et elektron, er ladningen q negativ. Denne feilen leder til svaralternativ A, som vi ser representerer den klart mest populære distraktoren i Norge.

Sammenliknet med andre land gjør Norge det bra, men likevel var det kun 39 % av de norske elevene som besvarte oppgaven korrekt. Denne oppgaven viser at oppgaver som i TIMSS Advanced blir målt til å ligge på avansert kompetansenivå, ikke nødvendigvis er vanskelige sett i en norsk skolekontekst.

3.6 Variasjon i prestasjoner mellom klasser

Figur 3.5 viser hvordan gjennomsnittlig prestasjonen i de 161 klassene som deltok i fysikkstudien, fordelte seg. Merk at klassene har ulike størrelser, disse størrelsene fremgår ikke av figur 3.5. Som nevnt i kapittel 7 samplet vi i TIMSS Advanced 2015 praktisk talt alle skoler i enten matematikk eller fysikk. Derfor er mengden samplede klasser (161) stor i forhold til det totale antall klasser som hadde Fysikk 2 i 2015. Figur 3.5 gir derfor et ganske pålitelig bilde av forskjellene som finnes i skole-Norge når det gjelder nivå i klassene som har Fysikk 2.

F0007_55-78.jpg

Figur 3.5 Variasjon i prestasjoner blant de 161 norske fysikklassene som ble testet i TIMSS Advanced 2015.

For å vurdere størrelsen av forskjellene i figur 3.5 kan vi sammenlikne med tabellen over de ulike lands prestasjoner, se tabell 1.2. Vi ser at en forskjell på 100 poeng er ganske stor sammenliknet med forskjellene mellom landene. I det norske materialet er det 22 klasser med gjennomsnittlig prestasjon på over 560 poeng, og det er 27 klasser med gjennomsnittlig prestasjon under 460 poeng. Det er altså mer enn 100 poengs forskjell i gjennomsnittlig prestasjon mellom disse ganske store undergruppene av de totalt 161 samplede klassene.

Figur 3.5 setter også Norges tilbakegang i fysikkskår fra 1995 til 2015 i perspektiv. Norges gjennomsnittlige skår i 1995 var 581. I studien fra 2015 var det kun 12 av 161 klasser der gjennomsnittlig skår var 581 eller høyere.

3.7 Norske læreplanendringer

Årskullet som ble testet i TIMSS Advanced 1995, var det siste kullet som ikke ble omfattet av Reform 94 (R 94) (Lie et al., 2010). Disse fulgte altså fysikkplanen fra før denne reformen (KUD, 1992). Samtidig var kullet som ble testet i TIMSS Advanced 2008, det siste årskullet som fulgte planene fra Reform 94 (KUF, 1994). Årskullet som ble testet i 2015-studien, fulgte læreplanen innført i Kunnskapsløftet (LK06) (KD, 2006). Dette gir gode muligheter for å se resultater fra TIMSS Advanced i relasjon til de norske læreplanendringene. De tre planene har mye til felles, men noen endringer av betydning for fysikk i TIMSS Advanced finnes det. En i denne sammenheng vesentlig endring er at visse fagtemaer i fysikkplanen har gått fra en kvantitativ behandling til en ute-lukkende kvalitativ. I fysikkplanen fra LK06 er loven om ideelle gasser ute, og det samme er kvantitativ behandling av varme-kapasitet og faseoverganger (KD, 2006). Dette stoffet var med i planen fra Reform 94. Se også planen fra 1992 (KUD, 1992). Med andre ord ble vesentlige deler av termofysikken fjernet fra den norske læreplanen i 2006, og det som ble igjen, skulle behandles kvalitativt. Det gjenværende stoffet om varmelære ble plassert i Fysikk 1, ikke i Fysikk 2. For temaene nevnt ovenfor er kvantitative oppgaver definert som innenfor det internasjonale rammeverket i TIMSS Advanced. Resultatet er at noen fysikkoppgaver i TIMSS Advanced 2015 som etter de gamle læreplanene ville blitt vurdert som innenfor det norske pensumet, etter den nye planen må vurderes som utenfor. Et eksempel på en slik oppgave er eksempeloppgave 4 i delkapittel 3.5.

Kvantitativ behandling av faglige temaer i fysikk styrker relasjonen mellom matematikk og fysikk i skolen. Datamaterialet fra TIMSS Advanced inneholder flere typer indikasjoner på viktig-heten av samspillet mellom disse fagene. I (Nilsen, Angell & Grønmo, 2013) vises det at norske elevers prestasjoner på fysikkoppgaver i TIMSS Advanced 2008 i betydelig grad ble begrenset av sviktende matematikkunnskaper. I seksjon 4.4 finner vi at det eneste enkeltspørsmålet i lærerspørreskjemaet fra TIMSS Advanced 2015 som gav signifikant korrelasjon med prestasjonsdata, var lærerens svar på spørsmålet om i hvilken grad manglende mate-matikkunnskaper hos elevene er en begrensende faktor i under-visningen. Vi kommer tilbake til relasjonen mellom matematikk og fysikk i norsk videregående skole i kapittel 6.