Orka er ein af grundvallarhugmyndum náttúruvísinda og fléttast þvert á allar greinar, frá eðlisfræði og efnafræði yfir í líffræði og jarðvísindi. Hugtakið orka gerir okkur kleift að skilja og tengja saman fjölbreytt náttúrufyrirbæri, allt frá stjarnfræðilegum atburðum til efnahvarfa og lífsferla. Þrátt fyrir mikilvægi þess hefur kennsla hugtaksins reynst krefjandi þar sem orka er óáþreifanleg og birtist í margvíslegum myndum.
Textinn hér er ætlaður kennurum og veitir innsýn í kennslufræði tengda hugtakinu orka. Fjallað er um eðli orku, birtingarmyndir hennar, algengar hversdagshugmyndir nemenda og þróun skilnings eftir aldri. Sérstök áhersla er lögð á hvernig byggja má upp dýpri skilning með aldursviðeigandi hætti, frá einföldum athugunum til flóknari hugmynda eins og varðveislu orkunnar. Efnið styðst við rannsóknir í náttúrufræðimenntun og miðar að því að styðja kennara í því að leiða nemendur sína í gegnum eina af mikilvægustu hugmyndum vísindanna.
Orkuhugtakinu er oft lýst á tvo ólíka vegu:
Sem efnislegu fyrirbæri sem birtist í mismunandi myndum (raforka, ljósorka, efnaorka) og getur umbreyst úr einu formi í annað.
Sem samfelldu hugtaki þar sem áherslan er á hvernig orkan flyst á milli kerfa, frekar en að hún birtist í ákveðnu formi.
Báðar aðferðir hafa sína galla, sérstaklega sú fyrri þar sem hún getur stuðlað að misskilningi um að orka sé áþreifanlegt fyrirbæri. Lausnin felst í því að kynna heildstæð nálgun, þar sem megináhersla er lögð á flutning orkunnar fremur en á tiltekin orkuform.
Hugtök á borð við varðveisla, vinna og form hafa í vísindum sértæka merkingu sem er oft frábrugðin þeirri sem notuð er í daglegu tali. Orðið orka hafði þegar tekið sér bólfestu í almennri málnotkun löngu áður en það varð vísindalegt hugtak og á rætur að rekja til gríska hugtaksins energeia, sem vísar til styrks og lífsþróttar. Þessi sögulega merking getur valdið misskilningi hjá nemendum sem tengja orku fyrst og fremst við lífverur og líkamlegt afl.
Hugtakið orkuform gefur villandi vísbendingu um að orka sé efni með efnisleg einkenni. Í raun er orka hvorki sýnileg né áþreifanleg. Við getum ekki mælt orkuna sjálfa beint, heldur ályktað um hana út frá eiginleikum kerfa, til dæmis með mælingum á hraða, massa eða hæð. Önnur algeng villukennd hugmynd er sú að orka sé geymd í efnatengjum og losni þegar þau rofna. Hins vegar losnar orka við myndun efnatengja en ekki þegar þau rofna.
Nemendur á öllum aldri kynnast hugtakinu orka í daglegu lífi, oftast í tengslum við mat eða eldsneyti. Margir telja að matur og eldsneyti innihaldi orku sem eyðist við meltingu eða brennslu. Þetta er skiljanlegt viðhorf: við getum ekki brennt bensíni tvisvar, rafhlöður endurhlaðast ekki af sjálfu sér og við getum ekki endurhlaðið líkama okkar með sama matarbitanum.
Eldri nemendur telja gjarnan að orkan í mat og eldsneyti sé geymd í efnatengjum og losni þegar þau rofna. Þótt orka losni sannarlega við efnahvörf, þá er það misskilningur að tengin sjálf geymi orkuna. Þvert á móti myndast efnatengi af því að tengt ástand hefur lægri stöðuorku en ótengt ástand vegna rafsegulkrafta milli hlaðinna agna í frumeindum.
Við efnahvörf endurraðast frumeindir þannig að nýjar sameindir verða til með lægri stöðuorku, líkt og bolti sem rennur niður brekku tapar þyngdarstöðuorku. Orkan sem „hverfur“ við slíka lækkun stöðuorku birtist í annarri mynd, oft sem aukin hreyfing sameinda, sem við skynjum sem hækkandi hitastig.
Þegar við nýtum mat eða eldsneyti, hvarfast sameindir þess við súrefni og mynda ný efni með lægri stöðuorku. Í bensínvél gerist þetta í strokki vélarinnar: eldsneytið hvarfast við súrefni, orkan sem losnar við myndun nýrra tengja eykur hreyfiorku sameindanna sem þenjast út, rekast á bulluna og valda snúningshreyfingu sem knýr bílinn áfram.
Nemendur halda oft að orkan í mat eða eldsneyti hverfi eftir notkun. En nákvæm lýsing á orkubreytingum og orkuflutningi sýnir að sama magn orku er enn til staðar, nú að mestu í formi varmaorku sem tengist hraðari hreyfingu sameinda. Í daglegu tali merkir orkusparnaður að nota minna eldsneyti en í vísindum merkir varðveisla orku að orka hvorki skapast né eyðist.
Nemendur líta gjarnan á orku sem eldsneyti og tengja hana við hnattræn sjónarmið og takmarkaðar auðlindir. Algengt er að þeir hafi áhyggjur af orkuskorti í framtíðinni og leggi áherslu á þörfina fyrir nýjar orkugjafir. Orðin orka og eldsneyti eru oft notuð sem samheiti, þannig að „orkukreppa“ þýðir í þeirra huga einfaldlega skortur á eldsneyti.
Margir nemendur telja að eldsneyti sé orka, frekar en að það innihaldi orku eða virki sem orkugjafi. Einnig tengja sumir orku aðallega við tækni og líta ekki á hana sem nauðsynlega fyrir öll ferli, heldur aðeins þau sem gera lífið þægilegra. Hér má finna meiri upplýsingar um hversdagshugmyndir um orku.
Á yngsta stigi læra nemendur um orku í gegnum daglega reynslu til dæmis hreyfingu, hljóð, ljós, hita og rafmagn. Áhersla ætti að vera á að orka flytjist milli hluta og að hún sé nauðsynleg bæði fyrir lífverur og tæki. Á þessu stigi er ekki æskilegt að kenna lögmál varðveislu orkunnar þar sem það getur virkað andstætt upplifun barna. Þess í stað ætti að leggja áherslu á að nemendur skynji og upplifi orku sem hluta af því sem veldur breytingum í heiminum í kringum þá.
Á miðstigi læra nemendur um mismunandi orkuform svo sem hreyfiorku og stöðuorku og tengslin milli þeirra. Þeir byrja að skilja varma sem hreyfiorku á stórsæjum skala* og kynnast áhrifum krafta. Nemendur læra að aukning orku á einum stað þýðir alltaf minnkun annars staðar (orka flyst innan kerfa). Þeir átta sig einnig á að þegar tveir hlutir hafa víxlverkan úr fjarlægð, til dæmis með segul-, raf- eða þyngdarkrafti, þá er stöðuorka geymd í kerfinu.
*sýnileg og skynjanleg fyrirbæri: hlutir hitna, kólna, hreyfast...
Á unglinga- og framhaldsskólastigi öðlast nemendur dýpri skilning á orku sem mælanlegu fyrirbæri. Þeir læra að reikna mismunandi orkuform, greina orkuflutning og átta sig á að öll orka er í grunninn eins, þótt hún birtist í ólíkum myndum. Nemendur tengja þessi form við frumeindakenninguna og öðlast dýpri skilning á lögmáli um varðveislu orkunnar.
Þeir kynnast einnig hugtakinu svið til að skilja tengslin milli krafts og orku. Sjónræn líkön, svo sem línur sem sýna stefnu og styrk rafsviðs í kringum hlaðna hluti, hjálpa til við að útskýra hvernig orka getur verið geymd í slíku sviði og flust milli staða. Þetta má líkja við ósýnilegt landsvæði í kringum hluti þar sem áhrif þeirra ná út í umhverfið, líkt og í rafsviði eða þyngdarsviði þar sem kraftar verka án snertingar.
Nemendur læra jafnframt að sum áhrifasvæði, eins og rafsegulbylgjur (t.d. ljós og útvarpsbylgjur), bera orku áfram í formi bylgjuhreyfinga sem ferðast gegnum rýmið. Með því að byggja upp slík líkön og tengja þau við daglegar athuganir, styrkist skilningur nemenda á bæði ósýnilegum orkuflutningi og samspili milli sviða og efnis.
Driver o.fl. (2014) leggja til ýmsar kennsluaðferðir sem hjálpa nemendum að skilja orkuhugtakið:
Hjálpa nemendum að „setja upp orkugleraugu“ til að sjá kunnugleg fyrirbæri í nýju ljósi.
Nota fjölbreytt dæmi þar sem nemendur rekja ferð orkunnar og greina orkuflutninga.
Nota örvatöflur til að sýna orkuflutninga, þar sem breidd örvanna táknar orkumagn.
Rannsaka varmaflutning með einföldum tilraunum.
Nota samlíkingu við peninga: þegar orka dreifist víða (eins og smáupphæðir til margra) verður hún minna nýtanleg en þegar hún er á einum stað.
Nordine (2016) bendir á að hægt sé að byggja brú frá reynslu nemenda yfir í vísindalegan skilning. Til dæmis má styðjast við reynslu þeirra af eigin hreyfingu og orkunotkun til að þróa skilning á því að einnig hlutir án lífs geti haft orku. Upptrekkt leikföng, teygjur og gormar eru góð dæmi til að sýna stöðuorku á áþreifanlegan hátt. Erfiðara getur verið fyrir nemendur að skilja stöðuorku í óáþreifanlegu samhengi eins og þegar hún er bundin í kolum.
Til að skilja rýrnun orku þurfa nemendur að geta fylgt orkuflæði í gegnum röð atburða og áttað sig á að hitamyndun í umhverfinu skýrir þá orku sem virðist hverfa. Þá þarf einnig að leiða nemendur frá þeirri hugmynd að endurnýjanlegir orkugjafar séu eins konar „orka fyrir ekki neitt“. Í stað þess að sjá þá sem uppsprettu nýrrar orku er mikilvægt að nemendur skilji þá sem flutning á orku sem fyrir er og sem hægt er að fanga og nýta.
Mælt er með að skilgreina orku út frá breytingum og flutningi, fremur en að nota hugtakið sem verkfæri til að útskýra atburði eftir á. Nemendur ættu að upplifa orkufyrirbæri áður en formleg hugtök eru kynnt en kennarar ættu engu að síður að nota vísindaleg hugtök af nákvæmni. Í stað þess að leggja áherslu á sérstakar orkumyndir er gagnlegra að kenna orku í samhengi við kerfi og stöðu hluta innan þeirra.
Aðalnámskrá grunnskóla setur fram stigvaxandi kröfur um skilning á orku. Á yngsta stigi eiga nemendur að geta nefnt dæmi um samspil lífvera og lífvana þátta. Á miðstigi er gert ráð fyrir að þeir geti lýst helstu orkumyndum og einföldum dæmum um varðveislu orkunnar. Á unglingastigi þurfa nemendur að geta greint orku í mismunandi myndum, tengt það við varðveislu orkunnar og lýst efnabreytingum og tengslum þeirra við orku og hitastig.
Þessi stigvaxandi nálgun er í samræmi við kennslufræðilegar ráðleggingar Driver o.fl. (2014) og Nordine (2016). Aðalnámskráin tengir orkuhugtakið einnig við samfélagið, allt frá umræðu um orkusparnað yfir í gagnrýna umfjöllun um orkuframleiðslu og umhverfisáhrif.
Þrátt fyrir skýr hæfniviðmið má þó benda á nokkra veikleika í nálgun námskrárinnar á orkuhugtakinu:
Lítil áhersla er lögð á að takast markvisst á við algengar hversdagshugmyndir nemenda sem Driver (1994) hefur bent á að séu ein helsta hindrun í námi.
Óljóst er hvernig námskráin styður við þróun frá einföldum athugunum til flókinna hugtaka eins og varðveislu orkunnar.
Tengsl milli námsgreina mættu vera skýrari, til dæmis hvernig orkuflæði í vistkerfum (líffræði) tengist lögmáli um varðveislu orku (eðlisfræði).
Sérstakar áskoranir tengjast mati á skilningi nemenda á varðveislu orkunnar þar sem rannsóknir sýna að jafnvel eldri nemendur eiga í erfiðleikum með að beita hugtakinu í fjölbreyttum og raunverulegum aðstæðum.
Til að þróa dýpri skilning á heiminum og hvernig hann virkar þurfa nemendur síendurtekin tækifæri, yfir margra ára tímabil, til að vinna með og dýpka undirliggjandi hugmyndir. Fólk getur haldið áfram að læra um grunnþætti viðfangsefna alla ævi.
Þar sem nám og skilningur þróast smám saman yfir langan tíma þurfa kennarar að huga að því hvernig efnið er kynnt á hverju námsstigi. Mikilvægt er að byggja ofan á fyrri hugmyndir nemenda og leggja þannig traustan grunn að sífellt flóknari þekkingu og hugsun. Náttúruvísindi og félagsvísindi snúast ekki eingöngu um þekkingu heldur einnig um aðferðir til að þróa, gagnrýna og bæta hana.
Í námi þar sem lögð er áhersla á þessar aðferðir eru nemendur hvattir til að taka virkan þátt í raunverulegum verkefnum. Með því að tengja viðfangsefni við persónulega reynslu nemenda stuðlum við að dýpri skilningi og símenntun. Þeir læra að byggja skoðanir á traustum upplýsingum og sönnunargögnum og að setja fram rökstuddar fullyrðingar á gagnrýninn hátt.
Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. og Wood-Robinson, V. (1994). Making sense of secondary science: Research into children's ideas. Routledge.
Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. og Wood-Robinson, V. (2014). Making sense of secondary science: Supporting materials. Routledge.
Keeley, P. og Cooper, S. (2019). Uncovering Student Ideas in Physical Science, Volume 3: 32 New Matter and Energy Formative Assessment Probes. NSTA Press.
Nordine, J. (ritstj.). (2016). Teaching Energy Across the Sciences, K-12. NSTA Press, National Science Teachers Association.
U.S. Department of Energy. (2017). Energy Literacy: Essential Principles and Fundamental Concepts for Energy Education. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/05/f34/Energy_Literacy%205.0%20-%20English.pdf