liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Different Senses of Entropy-Implications for Education
Linköping University, Department of Social and Welfare Studies, Learning, Aesthetics, Natural science. Linköping University, Faculty of Educational Sciences.
Linköping University, Department of Social and Welfare Studies, Learning, Aesthetics, Natural science. Linköping University, Faculty of Educational Sciences.
Linköping University, Department of Social and Welfare Studies, Learning, Aesthetics, Natural science. Linköping University, Faculty of Educational Sciences.
2010 (English)In: ENTROPY, ISSN 1099-4300, Vol. 12, no 3, 490-515 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

A challenge in the teaching of entropy is that the word has several different senses, which may provide an obstacle for communication. This study identifies five distinct senses of the word entropy, using the Principled Polysemy approach from the field of linguistics. A semantic network is developed of how the senses are related, using text excerpts from dictionaries, text books and text corpora. Educational challenges such as the existence of several formal senses of entropy and the intermediary position of entropy as disorder along the formal/non-formal scale are presented using a two-Dimensional Semiotic/semantic Analysing Schema (2-D SAS).

Place, publisher, year, edition, pages
2010. Vol. 12, no 3, 490-515 p.
Keyword [en]
science education, thermodynamics, entropy, semantics, cognitive linguistics, polysemy
National Category
Social Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-54783DOI: 10.3390/e12030490ISI: 000275934000012OAI: oai:DiVA.org:liu-54783DiVA: diva2:309833
Available from: 2010-04-09 Created: 2010-04-09 Last updated: 2014-09-25
In thesis
1. Analogical reasoning in science education: - connections to semantics and scientific modelling in thermodynamics
Open this publication in new window or tab >>Analogical reasoning in science education: - connections to semantics and scientific modelling in thermodynamics
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [sv]

Analogiskt tänkande är en central kognitiv förmåga som vi använder i vardagslivet, såväl som i mer formella sammanhang, såsom i forskning och undervisning. Föreliggande avhandling behandlar hur analogier och analogiskt tänkande, uppmärksamhet på semantik och förståelse för vetenskaplig modellering kan användas för att hantera utmaningar i naturvetenskapsundervisningen, särskilt inom området termodynamik. Dessutom presenteras ett teoretiskt ramverk över hur analogiskt tänkande förhåller sig till semantik och vetenskaplig modellering, tre ämnesområden som alla utgår ifrån att finna motsvarigheter mellan två olika domäner. Mot denna bakgrund fokuserar avhandlingen på följande forskningsfrågor: I vilken utsträckning används analogier för att koppla olika representationer av ett fenomen till varandra och till det representerade fenomenet? Hur relaterar självgenerade analogier till vetenskaplig modellering?

Avhandlingen består av fyra publicerade tidskriftsartiklar och en kappa. Den första artikeln är en semantisk utredning av ordet ’entropi’, den andra artikeln är en empirisk undersökning av synen på vetenskaplig modellering i olika kunskapstraditioner, och de tredje och fjärde artiklarna är empiriska undersökningar av fysiklärarstudenters respektive förstaklassares självgenererade analogier för termiska fenomen. Från ett metodperspektiv utfördes de empiriska studierna i en huvudsakligen kvalitativ tradition, där centrala resonemang exemplifieras genom analys av dialogutdrag. I de två studierna av självgenererade analogier fick deltagarna olika former av stöttning i form av social interaktion med varandra, gemensam erfarenhet av naturfenomen och diskussion kring deras representationer av fenomenen. I kappan utvecklas det teoretiska ramverket och mot den bakgrunden görs en omanalys av artiklarnas resultat.

En central ståndpunkt i avhandlingen är att varje fenomen kan representeras på många olika sätt, som alla kan vara lämpliga och användbara i olika sammanhang med tyngdpunkt på olika aspekter av fenomenet. Rörande analogiskt tänkande anförs att elever och studenter kan skapa flera egna analogier för att få en rikare, kompletterande bild av ett fenomen, snarare än att undervisas utifrån en enda förment bästa analogi. Med utgångspunkt från vetenskaplig modellering kan olika representationer eller modeller lyfta fram olika aspekter av ett fenomen, med olika grad av idealisering och inom olika kunskapstraditioner. Slutligen, från ett semantiskt perspektiv kan ett ord svara mot flera, distinkta, men relaterade betydelser – fenomenet polysemi. Dessa tre perspektiv kan erbjuda konstruktivistiska ansatser till begreppsförståelse inom naturvetenskapsundervisningen, genom att elever och studenter uppmuntras att i dialog knyta till sin vardagsföreställning av de begrepp och fenomen de möts av, snarare än att byta ut den mot ett enda, förmodat korrekt vetenskapligt begrepp.

Dessutom hävdas att den naturvetenskapsdidaktiska forskningen kan komma långt med ett strukturellt fokus på analogiskt tänkande och vetenskaplig modellering, där man försöker finna motsvarigheter mellan domäners beståndsdelar och deras relationer och helst isomorfism, en perfekt  överensstämmelse, men att beaktande av andra dimensioner, såsom en insikt i kognitionens förankring i kroppen och varseblivningen, de pragmatiska, kontextuella sammanhangen mot vilken bakgrund tänkande sker och språkets särskilda karaktär, krävs för en mer heltäckande bild.

Abstract [en]

Analogical reasoning is a central cognitive ability that is used in our everyday lives, as well as in formal settings, such as in research and teaching. This dissertation concerns how analogies and analogical reasoning, attention to semantics and insight into scientific modelling may be recruited in order to come to terms with challenges in science education, in particular within the field of thermodynamics. In addition, it provides a theoretical framework of how analogy relates to semantics and the practice of scientific modelling, three fields of study which all strive to map correspondences between two different domains. In particular, the dissertation addresses the following research questions: To what degree is analogy involved in connecting different representations of a phenomenon to each other and to the represented phenomenon? How do students’ selfgenerated analogies relate to the practice of scientific modelling?

The dissertation comprises four published journal articles and a cover story. The first article is a semantic investigation of the word ‘entropy’, the second article is an empirical study of the view on scientific modelling in different traditions of knowledge, and the third and fourth articles are empirical studies of self-generated analogies for thermal phenomena among preservice physics teachers and first-graders, respectively. From a methodological point of view, the empirical studies were conducted in a primarily qualitative tradition, where central lines of reasoning are exemplified by analysis of dialogue excerpts. The two studies on self-generated analogies provided the participants with extensive scaffolding in the form of social interaction among peers, interaction with physical phenomena and discussion of their representations of the phenomena. The theoretical framework is developed in the cover story, which provides a background to the individual studies and reanalyses of the findings.

A key claim of the dissertation is that any phenomenon can be represented in many different ways, all potentially adequate and useful in different contexts, emphasising different aspects of the phenomenon. Applied to the field of analogical reasoning, it is argued that students can generate several analogies themselves in order to get a richer, complementary view of a phenomenon, as opposed to be provided with a presumed best analogy. As for scientific models, many different representations or models may bring across different aspects of a phenomenon at varying degrees of idealisation and within different traditions of knowledge. Finally, in semantics, one word may correspond to several distinct, yet related, meanings: the phenomenon of polysemy. These three perspectives may provide constructivist approaches to conceptual development in science teaching, in which students are encouraged to connect to and enrich their everyday understanding of encountered concepts and phenomena in dialogue, rather than merely abandoning them for one single, supposedly correct, scientific concept.

In addition, science education research can come quite far with structural approaches to analysing analogical reasoning and scientific modelling, establishing correspondences between entities in different domains, ultimately striving for isomorphism, perfect matches, but other dimensions, such as the perceptual, embodied nature of our cognition, the pragmatic, contextual circumstances in which any act of reasoning is performed, and the specificities of language, should also be taken into account for a fuller view.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2012. 100 p.
Series
Studies in Science and Technology Education, ISSN 1652-5051 ; 60
Keyword
science education, thermodynamics, analogical reasoning, semantics, scientific modelling, naturvetenskapsdidaktik, termodynamik, analogiskt tänkande, semantik, vetenskaplig modellering
National Category
Didactics
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-85514 (URN)978-91-7519-773-9 (ISBN)
Public defence
2012-11-23, Kåkenhus, K2, Campus Norrköping, Linköpings universitet, Norrköping, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2012-11-22 Created: 2012-11-21 Last updated: 2015-06-02Bibliographically approved
2. Conceptual metaphors in learning and teaching entropy: adopting a cognitive semantic approach in science education research
Open this publication in new window or tab >>Conceptual metaphors in learning and teaching entropy: adopting a cognitive semantic approach in science education research
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Over the last 20 years there has been an extensive amount of research on science learning conducted from a “knowledge-in-pieces” or “resources” perspective. One of the main goals of that research has been to identify and characterize available cognitive knowledge resources that can be productive components of scientific understanding. In relation to characterizing available knowledge resources, the research, adopting the resource perspective, has focused on finding out and describing the continuity between the novice/learner and expert in various scientific domains. However, even though there exists an extensive amount of studies with a clear focus on characterizing available cognitive knowledge resources, research with a special focus on the role of language in relation to thermodynamics adopting a resource perspective is limited. In this thesis, on the one hand I describe challenges that can be related to language and, on the other hand, I identify possible available resources in the form of conceptual metaphors. Based on the results from the first two papers included in this thesis I show, among other things, the ambiguity of the physical concept of entropy. Furthermore, the result of paper two also highlights that there is an ambiguity in the words used as source domain words for metaphors that include entropy. For instance, source domain words such as ‘disorder’ in the metaphor ‘entropy is disorder’ turn out not to be as unambiguous as one might first think. In addition, in papers three and four, I highlight how very experienced people construe entropy in both written text and in a problem-solving situation based on textbook analyses and interviews. The included texts for analyses, in paper three, represented university textbooks on introductory physics, chemistry and statistical mechanics. In addition, all the texts covered macroscopic and microscopic accounts (as well as links between the two) of thermodynamics. The results from the text book analyses show that there is a systematic difference between the conceptual metaphors used for macroscopic and microscopic descriptions. In addition, the largest number of conceptual metaphors was identified at the macroscopic level. The problem-solving situation, in paper four, was structured around three thermodynamic problems where two PhD students worked together in pairs while they solved the three tasks. In addition, the problem-solving situation was captured by use of audio and video recordings. From the problem-solving situation I show, among other things, that a single conceptual metaphor was used in a sustained way to ground reasoning and, in addition, a number of conceptual metaphors were coordinated with each other and with other symbolic forms in a coherent way. In sum, the results of this thesis indicate that adopting tools from other disciplines, such as cognitive linguistics, may contribute to the field of science education.

Abstract [sv]

Under de senaste 20 åren har det skett en omfattande mängd naturvetenskaplig didaktisk forskning utifrån ett kognitivt resurs perspektiv. Ett av målen med denna forskning är att identifiera och karakterisera tillgängliga kognitiva kunskapsresurser som kan vara en del av en vetenskaplig förståelse. Forskningen har fokuserat på att beskriva kontinuiteten mellan novisen/studenten och experten inom några vetenskapliga discipliner. Forskning med särskilt fokus på språkets roll och betydelse i förhållande till termodynamik utifrån ett resurs perspektiv är begränsad. I denna avhandling behandlas språkliga utmaningar och tillgängliga kunskapsresurser i form av ”conceptual metaphors” (begreppsliga metaforer) inom ramen för lärande om termodynamik. Resultaten från de två första artiklarna i denna avhandling visar på mångtydigheten av det fysikaliska begreppet entropi. Resultatet i den andra artikeln visar att det även finns en tvetydighet av ord i käll/bas-domänen för metaforer med avsikt att belysa entropibegreppet. Exempelvis, i metaforen ’entropi är oordning’ visar det sig att ordet oordning i käll/bas-domänen inte är så entydigt som man i ett förste skede kanske tror. Artikel tre är en läroboksanalys av universitetslitteratur med fokus på entropi inom fysik, kemi och biologi. Gemensamt för alla tre texterna i läroboksanalysen var att de behandlade termodynamik utifrån både ett makroskopisk och ett mikroskopiskt perspektiv och även en länk mellan de båda perspektiven. Resultaten från läroboksanalysen visar att det finns en systematisk skillnad mellan begreppsliga metaforer som används för makroskopiska och mikroskopiska beskrivningar. Det flesta begreppsliga metaforerna identifierades på den makroskopiska nivån. Den fjärde artikeln handlar om två doktoranders gemensamma lösning av tre termodynamiska problem. Dokumentationen skedde genom video och ljudupptagning. Analysen av data visar bland annat att en enskild begreppslig metafor användes på ett konsekvent och adekvat sätt där ett antal begreppsliga metaforer koordineras med varandra och fysikaliska symboler på koherent sätt. Sammanfattningsvis visar resultaten i denna avhandling att verktyg från kognitiv lingvistik kan bidra till naturvetenskaplig didaktisk forskning.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2012. 64 p.
Series
Studies in Science and Technology Education, ISSN 1652-5051 ; 61
Keyword
Science education, thermodynamics, semantics, conceptual metaphors, Naturvetenskapernas didaktik, termodynamik, entropi, semantik, begreppsliga metaforer
National Category
Educational Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-85663 (URN)978-91-7519-765-4 (ISBN)
Public defence
2012-12-07, K2, Kåkenhus, Campus Norrköping, Linköpings universitet, Linköping, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2012-11-27 Created: 2012-11-27 Last updated: 2012-11-27Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(296 kB)100 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 296 kBChecksum SHA-512
23fa2707658058a0e96ef9b86d5ac4d5c70fbfc883c9403dba450ec2c0a73b5ae7129dbd6c35740f34b8b448ede6e4b8489e506fef68128da6f46e890760221b
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Haglund, JesperJeppsson, FredrikStrömdahl, Helge

Search in DiVA

By author/editor
Haglund, JesperJeppsson, FredrikStrömdahl, Helge
By organisation
Learning, Aesthetics, Natural scienceFaculty of Educational Sciences
Social Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 100 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 152 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf