Fagfornyelsen NT

Prosjektets overordnede målformulering er at 

1) Vi ønsker å gjøre faglige tilpasninger av førstesemesteremnene til «nye» studenter som har fått videregående opplæring i hht. LK20 (fagfornyelsen) 

og

2) Vi ønsker å i større grad tilpasse arbeidsmåtene i fagene til studentenes erfaringer gjennom  den nye læreplanen LK20 i VGS.

I prosjektet fokuserer vi på begynneremner i matematikk, statistikk og fysikk, som inngår en del av sivilingeniørutdanningene ved Fakultet for naturvitenskap og teknologi (NT-fak), i Lektor i realfag trinn 8-13 ved Fakultet for naturvitenskap og teknologi (NT-fak), og i bachelor ingeniørutdanningene ved Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi (IVT-fak) og NT-fak ved campus Tromsø. I utgangspunktet har hoveddelen av utviklingsarbeidet i prosjektet vært knyttet opp mot begynneremner som mange av studentene vanligvis tar i sitt første studieår: FYS-0100 Generell fysikk (første semester), MAT-1001 Kalkulus 1/MAT-1050 Matematikk 1 for ingeniører (første semester) og STA-1001 Statistikk og sannsynlighet (andre semester). Ressursene som utvikles kan imidlertid også helt eller delvis anvendes i en rekke andre emner som har et til dels overlappende innhold med disse, som FYS-0001 Brukerkurs i fysikk, FYS-2500 Fysikk for ingeniører/ TEK-2502 Fysikk og kjemi for ingeniører, MAT-0001 Brukerkurs i matematikk, MAT-1005 Diskret matematikk, MAT-1060 Beregningsorientert programmering og statistikk og  STA-0001 Brukerkurs i statistikk.

Videre har vi konkretisert hovedmålene i et sett delmål:  

1. Identifisere områder og temaer i de aktuelle emnene som krever gjennomgang og utvikling 
2. Gjøre nødvendige endringer i de aktuelle emneplanene 
3. Utvikle nytt undervisningsmateriell basert på beste praksiser og forskningsbasert kunnskap om undervisning og læring i MNT-fagene i høyere utdanning.  
4. Tilpasning til ulike studentgrupper og tiltak som legger til rette for økt refleksjon rundt fagene i kobling til videregående skole for lektorstudenter i realfag 8-13 
5. Økt relevans og samhandling på tvers av fag og emner 
6. Dokumentere og bidra til nasjonal erfaringsdeling 

Forarbeid: gjennomgang av læreplaner og lærebøker
Som et forarbeid til utviklingsaktivitetene ble de nye læreplanene for LK20 Fagfornyelsen gjennomgått, med fokus på programfag fysikk og matematikkombinasjonen 1T-R1-R2. Vi identifiserte der flere endringer som ble ansett som relevante for begynneremnene i matematikk, fysikk og statistikk. Disse er oppsummert i vedlegget Identifiserte læreplanendringer og overordnede konsekvenser for begynneremnene

Spesielt i matematikk opplevde vi kompetansemålene som noe vagt formulert, og det var derfor utfordrende å få en god forståelse av hva man kan forvente studentene har lært. For å få et bedre grunnlag for å tolke læreplanen i matematikk har vi derfor i tillegg gjennomgått de publiserte eksempeloppgavene for skriftlig eksamen i 1T, R1, R2, samt utvalgte lærebøker. Dette har nyansert bildet vi fikk fra gjennomgangen av læreplanen noe, for eksempel er det enkelte lærebøker som inkluderer en enkel introduksjon til differensialligninger i forbindelse med matematisk modellering.

Informasjons- og diskusjonsmøter
For å få innspill og oversikt over områder som blir berørt av endringene i læreplanverket har prosjektet gjennomført informasjons- og diskusjonsmøter både med fagmiljøene ved universitetet og med lærere fra den videregående skolen:

• Fagmiljøet i matematikk ble introdusert for prosjektet gjennom en presentasjon på personalseminar for Institutt for matematikk og statistikk (IMS) i desember 2021
• De nye læreplanene og arbeidet i prosjektet "Fagfornyelsen NT-fak" ble presentert for fagmiljøet i matematikk og fysikk på et felles undervisningsseminar for Institutt for matematikk og statistikk (IMS) og Institutt for fysikk og teknologi (IFT) i september 2022
• En workshop med prosjektgruppen, lærere fra den videregående skolen og interesserte fagpersoner fra UiT ble gjennomført oktober 2022

Organisering av utviklingsarbeidet

Prosjektet har ansatt studentassistenter som har jobbet med utviklingsarbeid innen de tre fagfeltene matematikk, statistikk og fysikk under veiledning av prosjektlederne og aktuelle emneansvarlige. Studentassistentene har utviklet nytt undervisningsmateriell basert på beste praksiser og forskningsbasert kunnskap om undervisning og læring i MNT-fagene i høyere utdanning. Første fase av arbeidet for studentassistentene har vært å sette seg inn og kartlegge i endringer i læreplanene. Utviklingsarbeidet har vært planlagt sammen med fag-/emneansvarlige der kartleggingen av endringer har gitt føringer for utviklingsarbeidet sammen med behovet for endringer som har kommet frem i diskusjoner med fag-/emneansvarlige og ønskene fag-/emneansvarlig har for sitt emne. Workshop sammen med lærere i oktober, se over, har bidratt til retning spesielt for matematikkfaget.

Se under utviklingsarbeid i menyene under for flere detaljer for de tre fagene fysikk, statistikk og matematikk. Denne beskrivelsen vil dels basere seg på en artikkel som presenteres på MNT-konferansen våren 2023.

Utviklingsarbeidet i fysikk har hovedsakelig vært tilknyttet emnet FYS-0100 Generell fysikk, da dette tas av mange studenter fra ulike sivilingeniørretninger og fra bachelorprogrammet i matematiske realfag. Dette emnet dekker klassisk mekanikk, fluidmekanikk og termodynamikk, og bygger på Fysikk 1 og Fysikk 2 fra den videregående skolen. Læreplanendringene innført ved LK20 gjør derfor at innhold og arbeidsmåter i emnet bør revideres noe, og emneansvarlig har  identifisert tre hovedområder som kan påvirke fysikkundervisningen: 1) endringer i innholdet i Fysikk 1 og Fysikk 2; 2) endringer i teoretisk (T) eller realfaglig (R1 og R2) matematikk og 3) endring i arbeidsmåter og evalueringsmetoder, som for eksempel introduksjonen av programmering i omfattende grad.

Nedenfor skisseres utviklingsarbeidet som er gjennomført i tilknytning til emnet FYS-0100. En betydelig del av dette arbeidet er gjennomført av en studentassistent ansatt gjennom prosjektet "Fagfornyelsen NT-fak", under veiledning av emneansvarlig. Her vil vi trekke frem at selv om utviklingsarbeidet har vært knyttet opp mot det konkrete emnet FYS-0100 vil flere av ressursene også kunne brukes i det noe enklere brukerkurset i fysikk (FYS-0001), samt i et separat fysikkemne for bachelor ingeniørstudenter (FYS-2500/TEK-2502).  Vi vil i det følgende beskrive den delen av utviklingsarbeidet som også er relevant disse andre fysikkemnene: 

Digitale tester

Når det gjelder innholdet i Fysikk 1 og Fysikk 2 kan det med innføringen av de nye læreplanene være større variasjon i de nye studentenes forkunnskaper innen grunnleggende tema, siden den nye læreplanens kompetansemål virker noe vagere formulert enn tidligere. Gjennom prosjektet "Fagfornyelsen NT-fak" er det utviklet flere automatisk rettede tester for å hjelpe studentene jobbe med mange av de grunnleggende ferdighetene innen temaer som vektlegges i videregående skole og som vi bygger videre på i begynneremner i fysikk, eksempelvis Newtons lover og termodynamikkens lover.

Programmering og beregninger

At det etter innføringen av LK20 Fagfornyelsen ikke lengre er noen kompetansemål i T-, R1- og R2-matematikk som eksplisitt nevner differensiallikninger er muligens den viktigste læreplanendringen for undervisning av begynneremner i fysikk på universitetsnivå, da de fysiske modellene studentene jobber med i FYS-0100 og andre begynneremner i fysikk i stor grad er formulert som differensiallikninger. I tillegg åpner innføringen av programmering i LK20 for økt bruk av numeriske beregninger i fysikkfaget.

I denne konteksten er det utviklet et større undervisningsopplegg som integrerer bruk av programmering i fysikken, med et hovedfokus på numeriske løsninger av differensiallikninger. Mer spesifikt er det til mekanikk-delen av emnet utviklet læringsressurser som inkluderer bruk av Eulers metode og andre numeriske metoder for å løse differensiallikninger som for eksempel beskriver bevegelse av gjenstander med luftmotstand, svingninger og lignende. Videre er det også utviklet aktiviteter som inluderer innlasting og behandling av faktiske data som for eksempel akselerasjonsdata fra en heis. Gjennom å introdusere numeriske beregninger kan studentene dermed jobbe med mer virkelighetsnære og realistiske oppgaver allerede i første semester. 

Mange av våre førsteårsstudenter innen MNT-fagene tar enten matematikkemnet MAT-1001 Kalkulus 1 eller matematikkemnet MAT-1050 Matematikk 1 for ingeniører, som begge bygger på og utdyper studentenes kunnskaper fra videregående skole om integral- og differensialregning for funksjoner i en variabel. Begge disse emnene gir allerede studentene en så grunnleggende introduksjon til differensialligninger at det ikke synes være behov for større innholdsmessige tilpasninger til de nye studentenes forkunnskaper. Gjennom prosjektet "Fagfornyelsen NT-fak" ønsker vi imidlertid å justere hvordan studentene arbeider med matematikken i disse begynneremnene, for å få et sterkere innslag av aktiviteter som fremmer ferdigheter som samarbeid, problemløsning, og kommunikasjon.

Utviklingsarbeidet i matematikk har fokusert på å lage en bank med oppgaver som både er tilpasset læringsmålene i  MAT-1001 Kalkulus 1 og MAT-1050 Matematikk 1 for ingeniører, og som er egnet til å inngå i studentaktiviteter basert på «Thinking classroom»-rammeverket utviklet og beskrevet av Peter Liljedahl (https://buildingthinkingclassrooms.com/). Disse aktivitetene er tenkt brukt som en del av seminarundervisningen i disse to emnene. En del av oppgavene vil imidlertid også være relevante for studentaktiviteter i brukerkurset i matematikk (MAT-0001).

Selve oppgavene er utviklet av studentassistenter under veiledning av prosjektlederne. I dette utviklingsarbeidet har vi fokusert på to konkrete elementer av matematikkundervisning diskutert innen «Thinking classroom»-rammeverket: typen oppgaver studentene jobber med, og hvordan studentene jobber med disse oppgavene:

Vi ønsker at studentene både skal jobbe med (i) oppgaver som utfordrer deres forståelse av sentrale begreper og (ii) oppgaver der de må engasjere seg i problemløsning, resonnering og argumentasjon, samt kommunisere dette til medstudenter og seminarlærere. Det utvikles dermed både rene begrepsoppgaver, for eksempel knyttet til studentenes forståelse av kontinuitet og deriverbarhet, og mer tradisjonelle problemløsningsoppgaver. Videre er det innen «Thinking classroom»-rammeverket viktig at studentene jobber sammen i mindre grupper om å løse disse oppgavene, og forskningen til Peter Liljedahl indikerer at hvis studentgruppene jobber stående rundt vertikale ikke-permanente skriveflater (som for eksempel små whiteboard-tavler) fører det til mer engasjement, mer diskusjon innad i gruppa og mer kunnskapsutveksling med de andre gruppene. Det legges dermed vekt på å utvikle oppgaver som er egnet til å løses i grupper og på en relativt liten skriveflate.

Noen av oppgavene piloteres i seminarundervisningen i brukerkurset MAT-0001 våren 2023, og planen er å bruke hele oppgavesettet som studentaktiviteter i seminarene i MAT-1001 og MAT-1050 høsten 2023. For at dette skal fungere planlegger prosjektlederne også å gjennomføre workshops for å gi seminarlærerne en innføring i "Thinking classroom"-metodikken. En slik kort workshop har allerede vært pilotert på en opplæringsdag for seminarlærere i januar 2023.

Utviklingsarbeidet i sannsynlighet og statistikk ble hovedsakelig gjennomført i sammenheng med begynneremnet STA-1001 Statistikk og sannsynlighet, som inngår i både sivilingeniørprogrammer, lektor realfag 8-13 og bachelor i matematiske realfag. Ressursene som ble utviklet vil imidlertid i stor grad også være relevante for det noe enklere brukerkurset i statistikk (STA-0001) og et eget emne for bachelor ingeniørstudenter (MAT-1060 Beregningsorientert programmering og statistikk).

Med de nye læreplanene (LK20 Fagfornyelsen) er det ingen kompetansemål i 1T, R1 eller R2 som eksplisitt refererer til kombinatorikk eller sannsynlighet, altså er en del kompetansemål som er knyttet til statistikkfagene på universitetet tatt ut. Når vi ser på matematikk S er riktignok både kombinatorikk og sannsynlighet nevnt som egne kompetansemål, og et mindre antall av våre studenter kan ha kombinasjonen S1-S2 som erstatning for R1. Per i dag krever imidlertid både lektor i realfag trinn 8-13, sivilingeniør-, og enkelte realfaglige bachelorstudier matematikk R2, slik at det for statistikkemnet STA-1001 har vært viktig å vurdere om det er nødvendig å gjøre faglige tilpasninger etter innføringen av de nye læreplanene.   

En gjennomgang av innholdet i STA-1001 viste at grunnleggende kombinatorikk og sannsynlighet allerede blir undervist i dette begynneremnet, og det kan derfor synes som det ikke er behov for å gjøre tilpasninger til de nye studentenes forkunnskaper. På den andre siden vet vi at det vil være mer krevende for studetnene å møte disse begrepene for første gang på universitetet, kontra å oppleve at de starter med en repetisjon av noe som allerede er kjent fra den videregående skolen. Dette kan gjøre begynneremnet i statistikk mer krevende etter innføringen av LK20 Fagfornyelsen enn det som er tilfelle i dag.

For å bøte på denne potensielle utfordringen er det i prosjektet «Fagfornyelsen NT» utviklet automatisk rettede digitale tester (i R/exam) som studentene kan bruke for å øve seg på denne nye kunnskapen. Disse testene er utviklet av en studentassistent i samarbeid med emneansvarlig i STA-1001, og skal hjelpe studentene med å tilegne seg en grunnleggende forståelse og -ferdigheter som underviser så kan bygge videre på. På denne måten kan de digitale testene bidra til å redusere utfordringene studentene møter når de blir introdusert for helt nye og vanskelige begreper i statistikkemnet på universitetet. 

De digitale testene ble i utgangspunktet utviklet til emnet STA-1001 Statistikk og sannsynlighet, og ble pilotert i undervisningen våren 2022. Men som nevnt vil en stor del av oppgavene også være relevante for det noe enklere brukerkurset i statistikk, og implementeres også der våren 2023. Videre vil deler av testene kunne inngå i statistikkdelen av MAT-1060 Beregningsorientert programmering og statistikk (eget emne for bachelor ingeniørstudenter), og de av oppgavene som omhandler kombinatorikk kan brukes i MAT-1005 Diskret matematikk. Dermed vil dette utviklingsarbeidet gagne en svært stor del av studentene som tar introduksjonsemner i statistikk og/eller matematikk.

Prosjektet har vært presentert på flere interne seminarer ved NT-fakultetet.

Når det gjelder nasjonal erfaringsdeling skal arbeidet i prosjektet presenteres på MNT-konferansen i 2023 

Det vil også være aktuelt å evaluere hvordan de utviklede ressursene blir integrert i emnene, og det vil være naturlig å presentere resultater fra slike evalueringer på fremtidige utdanningsfaglige eller fagdidaktiske konferanser. 

En kort oppsummering av prosjektets arbeid knyttet til delmålene vises i tabellen under.