I dette kapitlet presenterer vi en forkortet og bearbeidet versjon av det internasjonale rammeverket for «Scientific literacy» i PISA 2015 (OECD, 2016). Rammeverket er det teoretiske grunnlaget for naturfagsdelen av PISA-undersøkelsen og beskriver hvordan «Scientific literacy» er definert, og hvordan kompetanser henger sammen med kunnskaper, holdninger og kontekster. Rammeverket ligger til grunn for utvikling av oppgaver, og i siste del av kapitlet viser vi eksempler på to naturfagsoppgaver.

2.1 «Scientific literacy»

Rammeverket for naturfag i PISA 2015 er en videreutviklet utgave av tidligere rammeverk. Det er utviklet av en gruppe med internasjonalt anerkjente forskere og fagdidaktikere og er basert på internasjonal forskning innen naturfagsdidaktikk (for eksempel Duschl, 2007; Fensham, 1985; Millar & Osborne, 1998; Osborne, 2010; Roberts & Bybee, 2014). «Scientific literacy» brukes som et overordnet begrep for å beskrive kompetanser som er viktige for 15-åringer når de er ferdige med obligatorisk skolegang. Bruken av begrepet understreker at det er det allmenndannende perspektivet ved naturfag som er sentralt. Begrepet er mer og mer brukt de siste 10 årene og oppstod først og fremst for å kunne beskrive viktige sider ved naturfagsundervisningen til alle, ikke bare til dem som skulle studere dette videre, og det ble brukt sammen med slagord som «science for all» (Roberts & Bybee, 2014). «Scientific literacy» handler om i hvilken grad elevene er i stand til å bruke den kunnskapen de har, i ulike situasjoner, ikke bare kunne gjengi hva de har lært. Rammeverket er skrevet for fagpersoner, slik at mange av fagbegrepene som brukes i dette kapitlet, ikke gjenspeiler oppgavetekstene til elevene.

Det er vanskelig å finne en norsk oversettelse av «scientific literacy». Det finnes mange definisjoner av begrepet, og definisjonen som er brukt i PISA, dekker ikke alle sider av begrepet «naturfaglig allmenndannelse» slik vi kjenner det fra norsk faglitteratur (Kolstø, 2006; Sjøberg, 2009). Vi har valgt å benevne «scientific literacy» med «naturfag», men det er da viktig å understreke at betegnelsen ikke må oppfattes som identisk med skolefaget naturfag.

I PISA 2015 er «scientific literacy» definert ved følgende tre kompetanser: forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte, vurdere og planlegge naturvitenskapelige undersøkelser og tolke data og evidens på en naturvitenskapelig måte.

Tekstboks 1: Definisjonen av «scientific literacy» i PISA 2015.
«Scientific literacy» er evnen og viljen til å engasjere seg i og delta i diskusjoner om naturfagsrelaterte temaer. Dette innebærer følgende tre kompetanser:

1. Forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte
  • Gjenkjenne, gjengi og vurdere forklaringer på en rekke naturlige og teknologiske fenomener.
2. Vurdere og planlegge naturvitenskapelige undersøkelser
  • Beskrive og vurdere naturvitenskapelige undersøkelser og foreslå hvordan spørsmål kan besvares på en naturvitenskapelig måte.
3. Tolke data og evidens på en naturvitenskapelig måte
  • Analysere og vurdere data, påstander og argumenter i en rekke ulike framstillinger og trekke riktige naturvitenskapelige konklusjoner.

Alle disse tre kompetansene innebærer at elevene må ha naturfaglig kunnskap. For eksempel må elevene kjenne til og forstå naturvitenskapelige fakta og begreper for å kunne forklare naturvitenskapelige og teknologiske fenomener. Kompetansene innebærer også kunnskap om hvordan naturvitenskapelig kunnskap etableres og holdbarheten av den. Elevene må altså ha kunnskap om naturvitenskap både som produkt og som prosess. Internasjonalt er det brukt litt ulike begreper om faget som prosess, for eksempel «the nature of science» (Lederman, 2007), «ideas about science» (Millar & Osborne, 1998) eller «scientific practices» (National Research Council, 2012). Tabell 2.1 viser en oversikt over de fire aspektene som inngår i «scientific literacy» i PISA 2015: kontekst, kunnskap, kompetanser og holdninger. Disse aspektene er beskrevet i de neste avsnittene.

Tabell 2.1: De ulike aspektene i «scientific literacy» i PISA 2015.
«Scientific literacy» i PISA 2015
Kontekster I hvilken sammenheng oppgavene er gitt: personlige, lokale, nasjonale og globale. Det kan være nåværende og historiske kontekster som innebærer en viss forståelse av naturvitenskap og teknologi.
Kunnskaper Kunnskap man trenger for å løse oppgavene. En forståelse av grunnleggende fakta, begreper og teorier som danner grunnlaget for naturvitenskapelig kunnskap. Slik kunnskap omfatter både kunnskap om den naturlige verden og teknologiske gjenstander (innholdskunnskap), kunnskap om hvordan slike ideer blir til (metodekunnskap) og en forståelse av de underliggende begrunnelsene for disse prosedyrene og begrunnelsen for bruken av dem (epistemologisk kunnskap).
Kompetanser Evnen til å forklare fenomener vitenskapelig, evaluere og designe vitenskapelige undersøkelser og tolke data og evidens vitenskapelig.
Holdninger Holdninger til naturvitenskap og teknologi: interesse for naturvitenskap og verdsetting av naturvitenskapelig tilnærming til undersøkelser. Når det er relevant, gjelder det også bevissthet om miljøspørsmål.


Figur 2.1: Oversikt over de ulike aspektene som inngår i PISAs definisjon av naturfag i 2015.

2.1.1 Kontekster

Med kontekst menes her i hvilken sammenheng oppgavene er gitt. Oppgavene er ikke begrenset til kontekster som er typiske for naturfag i skolen, men det er lagt vekt på å få med et bredt spekter av ulike kontekster. Kontekstene er valgt ut med tanke på å være relevante for 15-åringer og omfatter situasjoner hvor det er nødvendig med kompetanse i naturfag. Kontekstene kan være dagsaktuelle eller historiske.

Kontekstene er delt inn i tre hovedkategorier: personlige, lokale/nasjonale og globale. «Personlige kontekster» omfatter situasjoner som handler om en selv, familien eller venner. «Lokale og nasjonale kontekster» omfatter spørsmål som har betydning for det lokale eller nasjonale samfunnet, mens «globale kontekster» omfatter situasjoner som har relevans på tvers av land og mer globalt. Videre er kontekstene delt inn i noen spesifikke områder som helse og sykdom, naturressurser, miljøkvalitet, risikoer og til slutt nyvinninger og ledende forskning innen naturvitenskap og teknologi. Her er noen eksempler:
  • Ernæring er et eksempel som passer inn i en personlig kontekst og er hentet fra området helse og sykdom.
  • Utbredelse av populasjoner, håndtering av avfall eller innvirkning på miljøet er temaer i en lokal/nasjonal kontekst innen området miljø.
  • Utrydding av arter, utforsking av verdensrommet eller verdensrommets opphav og oppbygging er temaer som passer inn i globale kontekster innen området «nyvinninger og ledende forskning innen naturvitenskap og teknologi».
Oppgavene i PISA måler ikke elevers forståelse av kontekster, men elevers kompetanser og kunnskap i spesifikke kontekster.

Tabell 2.2: Oversikt over hvilke kontekster og områder oppgavene er hentet fra.
  Personlige Lokale/nasjonale Globale
Helse og sykdom Sunt kosthold, ivareta god helse, unngå ulykker Kontroll av sykdommer, smittespredning i samfunnet, folkehelse Epidemier, spredning av smittefarlige sykdommer
Naturressurser Personlig forbruk av materialer og energi Produksjon og fordeling av mat, energiforsyning, livskvalitet, sikkerhet Fornybare og ikke-fornybare naturlige systemer, befolkningsvekst, bærekraftig bruk av biologiske ressurser
Miljø Miljøvennlige handlinger, bruk og kast av materialer og gjenstander Befolkningsfordeling, offentlig avfallshåndtering, miljøpåvirkning Biologisk mangfold, økologisk bærekraft, kontroll av forurensing, produksjon og forringelse av jordsmonn eller tap av biomasse
Farer Risikovurdering av livsstilsvalg Raske endringer (f.eks. jordskjelv, ekstremvær), langsomme og jevnt økende endringer (for eksempel kysterosjon, avsetning av sedimenter), risikovurdering Klimaendringer, påvirkning fra moderne kommunikasjon
Nyvinninger og ledende forskning innen naturvitenskap og teknologi Naturvitenskapelige aspekter av hobbyer, personlig teknologi, musikk og sport Nye materialer, utstyr og prosesser, genmanipulering, helseteknologi, transport Utryddelse av arter, utforskning av verdensrommet, universets opprinnelse og oppbygning

2.1.2 Kompetansene i naturfag

I det følgende blir de tre kompetansene i naturfag – forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte, vurdere og planlegge naturvitenskapelige undersøkelser og tolke data og evidens på en naturvitenskapelig måte – beskrevet nærmere.

2.1.2.1 Forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte

Naturvitenskapelig kunnskap har vært viktig for utvikling av teknologi og gitt oss en forståelse av den verden vi lever i. For eksempel vet vi nå at usynlige mikroorganismer kan forårsake sykdommer, og at jorda roterer rundt sin egen akse. Kompetansen forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte handler om å være i stand til å gjenkjenne, gi og vurdere forklaringer på en rekke naturlige og teknologiske fenomener. Kort oppsummert innebærer denne kompetansen at elevene skal kunne:
  • gjengi, hente fram og anvende relevant naturvitenskapelig kunnskap
  • identifisere, bruke og utvikle forklaringsmodeller og representasjoner
  • lage og argumentere for prediksjoner
  • foreslå hypoteser
  • forklare de potensielle implikasjonene av naturvitenskapelig kunnskap for samfunnet
Denne kompetansen handler altså om å kunne bruke naturvitenskapelige teorier, begreper og fakta. I tillegg er det viktig å ha en forståelse for hvor sikker den naturvitenskapelige kunnskapen er, og hvordan den har blitt til.

2.1.2.2 Vurdere og planlegge naturvitenskapelige undersøkelser

Et sentralt mål med naturvitenskapelige undersøkelser er å generere pålitelig kunnskap. Innhenting av data kan bidra til utvikling av modeller og hypoteser som igjen kan bli testet. Nye ideer bygger som oftest på tidligere kunnskap, og forskning gjøres vanligvis i et samarbeid med andre, både nasjonalt og internasjonalt. Målinger kan aldri bli helt nøyaktige og må derfor gjentas og kontrolleres for at usikkerheten skal bli så liten som mulig.

Kompetansen Vurdere og planlegge vitenskapelige undersøkelser er nødvendig for å være i stand til å vurdere naturvitenskapelige funn og undersøkelser kritisk. Denne kompetansen innebærer blant annet å vurdere om det er brukt relevante metoder i en undersøkelse, og om tolkningene er troverdige. Videre er det viktig å kunne foreslå hvordan et naturvitenskapelig spørsmål kan undersøkes. Kompetansen handler også om å kunne skille vitenskapelige undersøkelser fra andre typer undersøkelser eller gjenkjenne spørsmål som kan undersøkes vitenskapelig. Dette innebærer å ha kunnskap om de viktigste funksjonene i en vitenskapelig undersøkelse, for eksempel hva som skal måles, hvilke metoder som er best egnet for å samle inn data, og hvilke variabler som bør kontrolleres. En del av kompetansen handler også om å kunne se nye resultater i sammenheng med tidligere forskning, for å kunne vurdere betydningen av nye resultater for fagfeltet.

Å vurdere og planlegge vitenskapelige undersøkelser inkluderer både kunnskap om metode og epistemologi, i tillegg til innholdskunnskap. Kort oppsummert innebærer denne kompetansen at elevene skal kunne:
  • identifisere spørsmålene som undersøkes i en gitt naturvitenskapelig undersøkelse
  • gjenkjenne spørsmål som er mulig å undersøke på en naturvitenskapelig måte
  • foreslå en naturvitenskapelig måte å undersøke et gitt spørsmål på
  • vurdere naturvitenskapelige måter å undersøke et gitt spørsmål på
  • beskrive og vurdere hvordan forskere kan sikre påliteligheten til data, og i hvilken grad forklaringer er objektive og generaliserbare

2.1.2.3 Tolke data og evidens på en naturvitenskapelig måte

Når data skal tolkes, er det ofte vanlig å starte med å se etter mønstre og å lage enkle representasjoner, tabeller og diagrammer. På et litt mer avansert nivå er det viktig å kunne bruke komplekse datasett og mer avanserte analyseverktøy. Kompetansen handler om å vurdere kvaliteten på data og foreslå hvordan data kan presenteres. Videre forventes det også en forståelse av at usikkerhet er en del av målinger. For å få tillit til en undersøkelse må et funn ikke ha oppstått ved tilfeldigheter. Data kan tolkes på mange ulike måter, og argumentasjon er en sentral del av prosessen. Videre er det viktig å bruke påstander med støtte i data og finne svakheter i andres argumenter. Denne kompetansen innebærer å være i stand til å identifisere troverdige konklusjoner og fortolkninger av data. Det er også viktig å kunne være i stand til å oppdage feil i konklusjoner og fortolkninger.

Å tolke data og evidens på en naturvitenskapelig måte handler om å analysere og vurdere naturvitenskapelige data, påstander og argumenter i en rekke forskjellige representasjoner og å trekke riktige konklusjoner. Kort oppsummert innebærer denne kompetansen at elevene skal kunne:
  • overføre data fra en representasjon til en annen
  • analysere og tolke data og trekke rimelige konklusjoner
  • identifisere antagelser, evidens og resonnementer i tekster med naturvitenskapelig innhold
  • skille mellom argumenter som er basert på vitenskapelig evidens og teori, og argumenter som er basert på andre grunnlag
  • vurdere vitenskapelig argumentasjon og evidens fra andre kilder, for eksempel aviser og internett
Kompetansen innebærer tre former for naturvitenskapelig kunnskap: innholdskunnskap, metodekunnskap og kunnskap om epistemologi.

2.1.3 Naturfaglig kunnskap

I PISA har inndelingen av naturfagskunnskap utviklet seg siden den første gjennomføringen. I 2000 og 2003 var dette samlet i ett begrep, «naturvitenskapelig kunnskap». I 2006 ble begrepet delt i to, nemlig «kunnskap i naturfag» og «kunnskap om naturfag». Denne inndelingen kan sammenliknes med beskrivelsen i den norske læreplanen, hvor naturvitenskapen er omtalt som både produkt og prosess (Utdanningsdirektoratet, 2013, s. 2). I PISA 2015 er prosessdelen av begrepet delt i to, slik at det nå skiller mellom metode og epistemologi. Dermed er det i PISA 2015 tre former for naturfaglig kunnskap: innhold, metode og epistemologi. Disse blir beskrevet i det følgende.

2.1.3.1 Innholdskunnskap

Innholdskunnskap er definert som kunnskap om fakta, begreper og teorier som er etablert innen naturvitenskapen. PISA kan ikke måle alle former for innholdskunnskap. Derfor er det i rammeverket beskrevet tre kriterier for hvilke temaer som velges ut til prøven. For det første skal temaene ha relevans til virkelige situasjoner. For det andre skal temaene omhandle viktige begreper eller anerkjente teorier. For det tredje skal temaene være tilpasset et nivå som kan forventes av 15-åringer.

Disse kriteriene brukes for å velge temaer til prøven fra fysikk, kjemi, biologi, geofag og astronomi. I PISA er fagene delt inn i systemer, for eksempel fysiske og kjemiske systemer. Årsaken til denne inndelingen er blant annet et ønske om å legge vekt på tverrfaglighet. Nedenfor er det listet opp eksempler på sentrale begreper og teorier fra de ulike systemene. Denne listen er ikke ment som en komplett liste, men kun som eksempler på kunnskap som er relevant for naturfagsprøven i PISA.

Innenfor området fysiske og kjemiske systemer innebærer det kunnskap om:
  • Stoffers oppbygging (for eksempel partikkelmodeller, bindinger)
  • Stoffers egenskaper (for eksempel endringer av tilstand, termisk og elektrisk ledningsevne)
  • Kjemiske endringer i stoffer (for eksempel kjemiske reaksjoner, energioverføringer, syrer/baser)
  • Bevegelse og krefter (for eksempel hastighet, friksjon) og fjernkrefter (for eksempel magnetiske krefter, gravitasjonskrefter)
  • Energi og energioverganger (for eksempel konservering, kjemiske reaksjoner)
  • Vekselvirkning mellom energi og stoffer (for eksempel lys- og radiobølger, lyd- og seismiske bølger)
Innenfor området levende systemer innebærer det kunnskap om:
  • Celler (for eksempel struktur og funksjon, DNA, planter og dyr)
  • Organismer (for eksempel encellede, flercellede)
  • Menneskekroppen (for eksempel helse, ernæring, systemer som fordøyelse, respirasjon, blodomløpet, reproduksjon og sammenhenger mellom disse)
  • Populasjoner (for eksempel arter, evolusjon, biologisk mangfold, genetiske variasjoner)
  • Økosystem (for eksempel næringskjeder, stoffer og energistrøm)
  • Biosfæren (for eksempel økosystemer, bærekraft)
 

Innenfor området jordas og universets systemer innebærer det kunnskap om:
  • Strukturer i jordas systemer (for eksempel litosfære, atmosfære, hydrosfære)
  • Energi i jordas systemer (for eksempel energikilder, globalt klima)
  • Forandringer i jordas systemer (for eksempel platetektonikk, geokjemiske sykluser, konstruktive og destruktive krefter)
  • Jordas historie (for eksempel fossiler, opphav og bevegelse i jordskorpa)
  • Jorda i verdensrommet (for eksempel gravitasjon, solsystemer, galakser)
  • Universets historie og omfang (for eksempel lysår, big bang)

2.1.3.2 Metodekunnskap

Denne delen av naturfagskunnskap handler om å kjenne til metodene forskere bruker for å komme fram til ny kunnskap, blant annet det å kjenne til begreper og prosedyrer som brukes i empiriske undersøkelser. For eksempel hvordan måleusikkerhet kan reduseres, hvorfor kontrollvariabler brukes i eksperimenter, hvordan mønstre i dataene skal tolkes, eller hvordan resultater skal presenteres og kommuniseres. Metodekunnskap kan forstås som kunnskapen om standardiserte metoder forskere bruker for å innhente data og for å sikre reliabilitet og validitet i sine undersøkelser. Slik kunnskap er viktig både for å gjennomføre undersøkelser og for å kunne kritisk vurdere grunnlaget for slutninger.

Det forventes blant annet at elever skal vite at vitenskapelig kunnskap har ulik grad av sikkerhet, og at de skal kunne forklare hvorfor noen undersøkelser er mer presise enn andre. For eksempel vil det ved noen målinger være lettere å få større presisjon fordi det kan brukes mer nøyaktige måleinstrumenter, mens andre målinger, som for eksempel fugletelling innenfor et område, vil være forbundet med større usikkerhet.

Metodekunnskap:
  • kunnskap om variabler, inkludert avhengige variabler, uavhengige variabler og kontrollvariabler
  • forståelse for ulike typer målinger, for eksempel kvantitative og kvalitative målinger, bruk av skalaer, kategoriske og kontinuerlige variabler
  • metoder for å vurdere og redusere usikkerhet, for eksempel mange repetisjoner og gjennomsnitt av målinger
  • metoder for å sikre nøyaktigheten av data og at data kan etterprøves
  • vanlige måter å abstrahere og representere data ved hjelp av tabeller, grafer og diagrammer
  • metoder for kontroll av variabler og hvilken rolle det har i eksperimenter eller bruken av randomiserte, kontrollerte studier for å unngå å trekke feilaktige slutninger om sammenhenger og for å identifisere mulige kausale sammenhenger
  • kjenne til hvordan et naturvitenskapelig spørsmål best kan undersøkes (for eksempel eksperimentelt eller feltbasert)

2.1.3.3 Epistemologisk kunnskap

Epistemologi er læren om kunnskap. I denne sammenhengen handler det om å forstå hvilken rolle sentrale begreper spiller, og hvilke sider ved naturvitenskapen som er vesentlige for utvikling av kunnskap innenfor feltet. For eksempel er det nødvendig å kunne skille mellom hva som er en hypotese, og hva som er en naturvitenskapelig teori. Det er også nødvendig å ha kjennskap til at modeller er en viktig del av naturvitenskapen, men at disse ikke kan leses som presise representasjoner av virkeligheten. Modeller må derfor leses mer som kart enn som presise bilder. Det er også viktig å vite at argumentasjon er en sentral del av kunnskapsutviklingen og kjenne til viktigheten av fagfellevurdering for etablering av ny kunnskap.

Mens metodekunnskap innebærer kunnskap om hvordan man designer undersøkelser som er mulige å gjenta, handler kunnskap om epistemologi om hvorfor det er viktig å kunne gjenta undersøkelser. I denne sammenhengen handler epistemologi altså om begrunnelsen for metodene som brukes, og grunnlaget for at naturvitenskapelig kunnskap skal være troverdig.

Epistemologi handler om sentrale begreper og særtrekk ved naturvitenskap:
  • hva som kjennetegner naturvitenskapelige observasjoner, fakta, hypoteser, modeller og teorier.
  • hva som er hensikten med naturvitenskap (å kunne forklare fenomener i naturen) sammenliknet med hva som er hensikten med teknologi (å lage optimale løsninger på konkrete problemer).
  • hva som er et naturvitenskapelig eller teknologisk spørsmål, og hva som er relevante data.
  • hva som er naturvitenskapelige verdier, for eksempel forpliktelser ved publisering av resultater, objektivitet og hvordan unngå skjevtolkninger av resultater
  • hva som kjennetegner ulike naturvitenskapelige tenkemåter, for eksempel deduktive og induktive slutninger, analogier eller modellbasert tenkning
Hvilken rolle disse begrepene og særtrekkene spiller i kunnskapsutvikling av naturvitenskap:
  • hvordan naturvitenskapelige påstander er støttet av data og argumentasjon
  • hvordan ulike typer empiriske undersøkelser kan brukes til å utvikle kunnskap
  • hvordan måleusikkerhet påvirker graden av pålitelighet til naturvitenskapelig kunnskap
  • bruken av ulike modeller og begrensningene ved disse
  • hvordan samarbeid, kritikk og fagfellevurdering bidrar til å styrke påliteligheten til naturvitenskapelige påstander
  • hvordan naturvitenskaplig kunnskap, sammen med andre typer kunnskap, kan bidra til å identifisere og løse samfunnsutfordringer og teknologiske utfordringer

2.1.4 Holdninger

Holdninger til naturfag har betydning for elevers interesse og vilje til å engasjere seg i temaer som handler om naturvitenskap og teknologi. Holdningsspørsmålene er gitt i elevspørreskjemaet og er ikke en del av den faglige prøven. I PISA 2015 inkluderer dette følgende tre områder:
  • «interesse» for naturvitenskap
  • «verdsetting av naturvitenskapelige tilnærminger til undersøkelser»
  • «miljøbevissthet»
Interesse for naturvitenskap ble valgt som en del av «scientific literacy» fordi mange undersøkelser har vist at interesse har sammenheng med prestasjoner, valg av videre utdanning, valg av karriere og for livslang læring. Verdsetting av naturvitenskapelige tilnærminger betyr ikke at elever trenger å være positive til alle aspekter ved naturvitenskapen, men det handler blant annet om å ha en forståelse for hvorfor denne tilnærmingen til undersøkelser i mange tilfeller har vist seg å være mer vellykket enn andre tilnærminger. Miljøbevissthet er valgt ut fordi dette er et viktig tema i internasjonal sammenheng og viktig for å kunne ta valg som bidrar til bærekraftig utvikling. Dette innebærer altså å ha en forståelse for miljøutfordringer og nødvendigheten av å tilpasse seg til disse utfordringene. Elevenes holdninger til naturfag blir beskrevet i kapittel 4.

2.2 Naturfagsoppgaver i PISA

Som nevnt tidligere danner rammeverket i naturfag et grunnlag for utvikling av oppgaver. Oppgavene skal til sammen dekke de ulike kompetansene, kunnskapene og kontekstene som er beskrevet tidligere i dette kapitlet. Oppgavene skal også dekke ulike grader av kognitiv utfordring og kompleksitet og ulike oppgaveformater, som blir beskrevet nærmere nedenfor.

I kapittel 3 rapporteres de norske elevenes prestasjoner i naturfag. I tillegg til en samleskår for norske elevers prestasjoner i naturfag, blir det også presentert resultater for ulike kompetanser og kunnskaper i naturfag. For å kunne rapportere resultater for hver type kompetanse og kunnskap, er det viktig at det finnes tilstrekkelig antall oppgaver som måler hver av disse. I 2015 består PISA-prøven av 184 oppgaver i naturfag. Av disse er 85 såkalte trendoppgaver som har vært med i tidligere undersøkelser, mens 99 oppgaver er nye i PISA 2015. Tabell 2.3 viser hvordan naturfagsoppgavene er fordelt på de tre kompetansene. Tabell 2.4 viser hvordan naturfagsoppgavene er fordelt på de tre kunnskapene, og tabell 2.5 viser fordelingen av oppgaver på hvert kunnskapssystem. Tabell 2.6 viser fordelingen av oppgaver på de ulike kontekstene.

Tabell 2.3: Fordeling av oppgaver på kompetanser.
Kompetanser Naturfagsoppgaver i PISA 2015 Mål i rammeverket
Antall Prosent Prosent
Forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte 89 48 40–50
Vurdere og planlegge naturvitenskapelige undersøkelser 39 21 20–30
Tolke data og evidens på en naturvitenskapelig måte 56 30 30–40
Totalt 184 100 100

Tabell 2.4: Fordeling av oppgaver på kunnskaper.
Kunnskaper Naturfagsoppgaver i PISA 2015 Mål i rammeverket
Antall Prosent Prosent
Innhold 98 53 54–66
Metode 60 33 19–31
Epistemologi 26 14 10–22
Totalt 184 100 100

Tabell 2.5: Fordeling av oppgaver på systemer.
Systemer Naturfagsoppgaver i PISA 2015 Mål i rammeverket
Antall Prosent Prosent
  Antall Prosent Prosent
Fysiske systemer 61 33 36
Levende systemer 74 40 36
Jordas og universets systemer 49 27 28
Totalt 184 100 100

Tabell 2.6: Fordeling av oppgaver på kontekster.
Kontekster Naturfagsoppgaver i PISA 2015
Antall Prosent
Globale 55 30
Lokale/nasjonale 108 59
Personlige 21 11
Totalt 184 100

Det er et mål at oppgavene skal dekke ulike grader av kognitive utfordringer og grad av kompleksitet. Dette er relatert til, men ikke det samme som vanskegrad. I PISA skilles det mellom tre grader av kognitiv utfordring og kompleksitet:
  • Lav: Her kreves kun ett steg for å løse oppgaven, for eksempel gjengi faktakunnskap eller finne fram til en bestemt informasjon i et diagram eller en tabell.
  • Middels: Bruke kunnskap til å beskrive eller forklare fenomener, velge relevant framgangsmåte der det er nødvendig å ta to eller flere steg, organisere eller presentere data, tolke enkle datasett eller diagrammer.
  • Høy: Analysere kompleks informasjon eller data, sammenfatte eller vurdere bevis, forsvare påstander, resonnere med utgangspunkt i ulike kilder, planlegge en framgangsmåte med flere steg for å løse et problem.
Tabell 2.7 viser fordeling av oppgavene på grad av kognitiv utfordring og kompleksitet.

Tabell 2.7: Fordeling av oppgaver på grad av kognitiv utfordring og kompleksitet.
Grad av kognitiv utfordring og kompleksitet Naturfagsoppgaver i PISA 2015
Antall Prosent
Lav 56 30
Middels 113 61
Høy 15 8
Totalt 184 100

Oppgavene blir fordelt på tre ulike formater. Det første formatet er enkle flervalgsoppgaver, hvor det for eksempel er ett riktig svar blant fire alternativer. Det andre formatet er komplekse flervalgsoppgaver, hvor elevene for eksempel skal velge flere riktige svar fra en liste med alternativer. Det tredje formatet er åpne oppgaver, hvor elevene skriver et svar med egne ord. Hvert av de tre oppgaveformatene utgjør omtrent en tredjedel av oppgavene.

Rammeverket beskriver også hva som kjennetegner de ulike prestasjonsnivåene i naturfag. Disse beskrivelsene har vi plassert i kapittel 3.

2.2.1 Eksempler på oppgaver

Hver oppgave er kategorisert i en av de tre kompetansene. I enkelte tilfeller vil en oppgave kunne tilhøre mer enn én kompetanse. I slike tilfeller blir oppgaven merket med den kompetansen som er mest framtredende. Tilsvarende gjelder også for kunnskapsområder og kontekst.

I det følgende er det gitt eksempler på hvordan to oppgaver er kategorisert, én fra oppgaveenheten «Biekollaps» og én fra oppgaveenheten «Løping i varmt vær». En oppgaveenhet er en samling tekster og oppgaver knyttet til samme tema. «Biekollaps» er et eksempel på en oppgaveenhet som er frigitt. Den var med i utprøvingen av oppgaver til 2015, men ikke med i hovedtesten. Oppgaveenheten består av en innledende tekst som beskriver det fenomenet at bier forsvinner fra bikubene og dør. Dette har ført til at flere titalls milliarder bier har dødd, og mange av verdens biepopulasjoner har forsvunnet, noe som kan ha katastrofale konsekvenser for andre arters næringstilgang. Oppgaveenheten består av flere korte tekster og grafer knyttet til dette fenomenet og forskningen rundt det. Det var i alt fem oppgaver knyttet til oppgaveenheten, og nedenfor vil vi omtale en av disse.


Figur 2.2: Eksempeloppgave fra oppgaveenheten «Biekollaps».

Oppgaven handler om hvorfor fugler også kan bli påvirket av biekollaps. I teksten får elevene oppgitt at både bier og enkelte fuglearter har solsikke som matkilde, og elevene skal begrunne hvorfor fraværet av bier kan gi nedgang i fuglebestanden.

For å svare riktig på denne oppgaven må elevene gi en forklaring som sier noe om at en blomst ikke kan produsere frø uten bestøvning. Elevene må vise at de har kunnskap om dette fagområdet og at de er i stand til å gjengi aktuell naturfaglig kunnskap. Tabell 2.8 viser hvordan oppgaven er kategorisert.

Tabell 2.8: Kategorisering av eksempeloppgave fra oppgaveenheten «Biekollaps».
Kompetanse Forklare fenomener på en naturvitenskapelig måte
Kunnskap Innholdskunnskap (levende systemer)
Kontekst Lokal/nasjonal (miljø)
Grad av kognitiv utfordring og kompleksitet Middels
Oppgaveformat Åpent


Figur 2.3: Eksempeloppgave fra oppgaveenheten «Løping i varmt vær».

Oppgaveenheten «Løping i varmt vær» handler om hva slags forhold som kan gi risiko for heteslag og dehydrering når en person løper i varmt vær. I oppgaven vist i figur 2.3, skal elevene ved hjelp av simuleringer finne ut om det er farlig å løpe når luftfuktigheten er 50 prosent og lufttemperaturen er 40 °C.

For hver simulering eleven kjører, vil dataene for hver kolonne vises i tabellen. Eleven må minst kjøre to simuleringer, både en der luftfuktigheten er 40 prosent, og en der luftfuktigheten er 60 prosent. Temperaturen skal holdes konstant på 40 °C. Under begge simuleringene må eleven også krysse av Ja for Drikker vann. Hvis elevene kjører flere simuleringer, må de markere hvilke to rader som støtter svaret. Eleven vil se at det for begge kjøringene vil være en fare for heteslag og kan da konkludere med at det kan være farlig å løpe når luftfuktigheten er 50 prosent og lufttemperaturen er 40 °C, selv om løperen drikker vann. Tabell 2.9 viser hvordan oppgaven er kategorisert.

Tabell 2.9: Kategorisering av oppgave fra oppgaveenheten «Løping i varmt vær».
Kompetanse Vurdere og planlegge naturvitenskapelige undersøkelser
Kunnskap Metode
Kontekst Personlig / Helse og sykdom
Grad av kognitiv utfordring og kompleksitet Høy
Oppgaveformat Åpent

Referanser

Duschl, R. (2007). Science Education in Three-Part Harmony: Balancing Conceptual, Epistemic, and Social Learning Goals. Review of Research in Education, 32, 268–291.

Fensham, P. (1985). Science for all: A reflective essay. Journal of Curriculum Studies, 17(4), 415–435.

Kolstø, S.D. (2006). Et allmenndannende naturfag. Fagets betydning for demokratisk deltakelse. Nordic Studies in Science Education, 2(3), 82–99.

Lederman, N.G. (2007). Nature of science: Past, present, and future. I S. Abell & N. G. Lederman (red.), Handbook of research on science education (Vol. 2, s. 831–879). Mawah, NJ: Routledge, Lawrence Erlbaum.

Millar, R. & Osborne, J. (red.). (1998). Beyond 2000: Science education for the future. London: School of Education, Kings College.

National Research Council. (2012). A framework for K–12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. Washington, DC: The National Academies Press.

OECD (2016). PISA 2015 Assessment and analytical framework: Science, reading, mathematics and financial literacy. Paris: OECD Publications.

Osborne, J. (2010). Discourse. Arguing to Learn in Science: The Role of Collaborative, Critical Discourse. Science, 328, 463–466.

Roberts, D. A. & Bybee, R.W. (2014). Scientific Literacy, Science Literacy and Science Education. I S. Abell & N.G. Lederman (red.), Handbook of Research on Science Education (Vol. II, s. 545–558). New York and London: Routledge.

Sjøberg, S. (2009). Naturfag som allmenndannelse, en kritisk fagdidaktikk. Oslo: Gyldendal Norsk Forlag.

Utdanningsdirektoratet (2013). Læreplan i naturfag. Hentet 16. august 2016, fra http://data.udir.no/kl06/NAT1–03.pdf