Animaties, simulaties, modelleren
Computersimulaties zijn dynamische visuele representaties van verschijnselen. Aan een simulatie ligt een model ten grondslag dat je met variabelen kunt beïnvloeden. Daarin verschillen simulaties van animaties: animaties kun je bekijken, maar er is geen interactie mee mogelijk. Bij een simulatie kun je variabelen van het onderliggende model beïnvloeden, maar het model ligt vast. Daarin verschilt werken met simulaties van modelleren: bij modelleren ligt het model niet vast, maar bouw je een model op. Op de website PhET staan meer dan 100 simulaties, die gratis te gebruiken zijn. De simulaties op PhET zijn betrouwbaar: de onderliggende modellen kloppen.

Voordelen van simulaties
Uit voorgaand onderzoek is gebleken dat ondersteuning met simulaties de volgende voordelen heeft:

• Simulaties kunnen de leerresultaten verbeteren
• Simulaties kunnen de motivatie van leerlingen vergroten
• Aantrekkelijker onderwijs door variatie in werkvormen
• Met simulaties kunnen vergelijkbare leerresultaten behaald worden in een kortere tijd
• Je maakt het leren actiever
• Je kunt er onderzoekend leren goed mee ondersteunen

Werken met simulaties kan individueel of in kleine groepjes in het computerlokaal. Nico Rutten heeft onderzocht of simulaties ook klassikaal effectief ingezet kunnen worden. De klassikale context heeft namelijk een geheel eigen dynamiek, waarbij de leerkracht de leerprocessen van de leerlingen kan volgen door het stellen van vragen. Op basis daarvan kan de leerkracht gerichte ondersteuning bieden. Naast het verhelderen van onduidelijkheden, kan een leerkracht ook juist bewust een moment van verwarring creëren om de aandacht te trekken.

Uit het onderzoek van Rutten blijkt dat simulaties klassikaal inzetten goed mogelijk is en dat dit ook gemakkelijk tussendoor kan: een kleine onderzoekscyclus m.b.v. een simulatie kan al in enkele minuten. Wanneer je leerlingen via simulaties  onderzoekend laat leren, is een bijkomend voordeel dat ze een beter idee krijgen van wat onderzoek doen in kan houden (wat gunstig kan zijn voor latere studie- en carrièrekeuzes).

Computersimulaties zijn geschikt voor ondersteuning van onderzoekend leren, doordat je voorspellingen kunt toetsen door variabelen te veranderen en te kijken naar wat er gebeurt. Voorwaarde voor het effectief inzetten van simulaties om onderzoekend leren te ondersteunen is wel dat leerlingen goed ondersteund worden in de processen rond onderzoekend leren. Wanneer je leerlingen namelijk vrij met een simulatie aan de slag laat gaan, dan leren ze vrijwel niets. Onbegeleid onderzoekend leren is niet effectief.Leerlingen hebben instructies nodig hoe ze te werk moeten gaan, bijvoorbeeld:

• Bepaal je verwachtingen
• Pas slechts één variabele tegelijkertijd aan
• Gebruik eenvoudige waarden
• Varieer in stapjes van gelijke grootte
• Maak een grafiek
• Maak een planning van welke experimenten je uit wilt voeren en houd deze planning in de gaten (welke  experimenten heb je uitgevoerd, wat moet je nog doen)

Leerlingen kunnen dit soort dingen moeilijk zelf, dus daar moet je hen bij ondersteunen. Er zijn verschillende manieren van ondersteuning: het kan ingebouwd worden in de simulatie of de docent kan het proces begeleiden. Hierbij is het van belang om rekening te houden met:

• hoe leerlingen aangesproken en betrokken worden: Bij ingebouwde ondersteuning werkt het bijvoorbeeld beter om leerlingen op een persoonlijke manier aan te spreken dan op een onpersoonlijke manier (jij moet nu dit doen vs. er moet nu dit gedaan worden). Leerlingen onderdompelen in de simulatieomgeving m.b.v. een virtual reality bril, waarbij ze verder op hun plek blijven zitten, blijkt niet te leiden tot hogere leerresultaten. Door een ruimte bewegen waar de simulatie te zien is (SMALLab), blijkt wel effectief te zijn
• hoe informatie wordt gepresenteerd en geïntegreerd: Bijvoorbeeld de beleving tastbaarder maken door de temperatuur te visualiseren door een hand die rood wordt, of vuistregels geven/integreren in de simulatie
• hoe de presentatie van informatie wordt getimed: Leerlingen hebben vooral inhoudelijke informatie nodig  voordat ze de taak uitvoeren en procedurele informatie tijdens het uitvoeren van de taak

Simulaties ter voorbereiding op practica
Rutten heeft effectgroottes berekend van verschillende vergelijkende studies, waarin het gebruik van een simulatie in een bepaalde situatie onderzocht werd. Hieruit blijkt dat het vooral effectief is om simulaties te gebruiken ter voorbereiding op een practicum. Er zijn dan grote leereffecten. Er zijn ook grote leereffecten gemeten bij het vervangen van practica door simulaties. Simulaties kunnen ook in andere situaties effectief zijn, maar de effectgrootte is bij het gebruik van simulaties als voorbereiding op practica het grootst.

Klassikaal lesgeven met simulaties
Bovenstaande informatie is vooral gebaseerd op onderzoeken waarin leerlingen individueel of in kleine groepjes met simulaties werken. Er is weinig onderzoek gedaan naar het gebruik van simulaties in de klassikale context. Wanneer de docent een simulatie slechts demonstreert aan de klas, laat hij de kans liggen om onderzoekend leren te ondersteunen met de simulatie. Een manier om deze kans klassikaal te benutten, is:

• Zet de simulatie in een bepaalde stand en vraag de leerlingen: “Wat denk je dat er zal gebeuren als ik deze variabele verander?”
• Pas de betreffende variabele aan
• Laat de leerlingen observeren wat er gebeurt
• Laat hen conclusies trekken

Op die manier doorloop je de onderzoekscyclus met de leerlingen, en stel je de leerlingen centraal. Het onderzoek van Rutten gaat hier verder op in.

Onderzoeksopzet

Hoofd- en deelvragen
De hoofdvraag van het onderzoek was: “Hoe kan klassikaal lesgeven in de bètavakken verrijkt worden met computersimulaties?” De bijbehorende deelvragen waren:

1. Hoe kan traditioneel bètaonderwijs verbeterd worden d.m.v. computersimulaties?
2. Hoe kunnen computersimulaties leerprocessen en –opbrengsten ondersteunen?
3. Hoe gebruiken natuurkundeleraren computersimulaties tijdens klassikaal lesgeven?
4. Hoe kan onderzoekend leren met computersimulaties klassikaal lesgeven ondersteunen?
5. Hoe beïnvloedt de interactie tussen de leerlingen en de docent tijdens klassikaal lesgeven met computersimulaties de leeropbrengsten?

Onderzoeksmethoden
Het onderzoek van Rutten bestond uit drie delen: een review-studie, een observatiestudie en een experimentele studie.

Review-studie
Rutten onderzocht wat er bekend is over leren met computersimulaties. De resultaten van de review-studie worden onder het theoretisch kader beschreven.

Observatiestudie
Rutten observeerde 24 havo en vwo natuurkundedocenten tijdens het klassikaal inzetten van een simulatie. Doel hiervan was om verbanden te onderzoeken tussen hoe docenten simulaties klassikaal inzetten, de (ervaren) leerdoelen en de attitudes van de docenten en leerlingen t.a.v. klassikaal gebruik van computersimulaties. Attitudes en (ervaren) leerdoelen werden gemeten m.b.v. vragenlijsten. Bij het observeren van hoe docenten simulaties klassikaal inzetten, richtte Rutten zich op de interactie in de les. Hij scoorde op twee aspecten:

1. Hoeveelheid en type vragen dat de docent stelt aan de leerlingen. In hoeverre sluiten de vragen aan bij de onderzoekscyclus? Rutten codeerde op vragen over voorspelling, observatie, conclusie trekken of theorie reproduceren
2. Wie de door de docent gestelde vragen beantwoordt: de docent zelf of de leerlingen? Krijgen de leerlingen gelegenheid om de vraag te beantwoorden? Hiermee wordt onderzocht in hoeverre de leerling een actieve rol heeft in de les

Uiteindelijk kreeg elke docent twee scores voor de les: één voor de mate waarin het vragen stellen aansluit bij de onderzoekscyclus en één voor de mate waarin daarbij de leerling centraal staat.

Experimentele studie
Onder ‘Onderzoeksopzet – Peer Instruction m.b.v. stemsysteem’ wordt de experimentele interventie beschreven. De interventie werd 6 keer uitgevoerd door 5 docenten (1 docent deed op havo en vwo niveau mee aan het onderzoek).

De uitvoering zag er zo uit:

les 1	les 2	les 3	les 4	1 maand na les 4
voormeting	experimentele interventie	experimentele interventie	nameting	uitgestelde nameting

Als controlesituatie gaf elke docent in een parallelklas ook les over dezelfde simulaties volgens hun eigen vertrouwde aanpak. Om het conceptuele inzicht te meten gebruikte Rutten de Force Concept Inventory: dit is een veelgebruikte test om inzicht in de Newtoniaanse mechanica te meten. Tevens onderzocht Rutten de mate van interactie in de les door op dezelfde manier te scoren als bij de observatiestudie. Daarnaast observeerde Rutten of de Peer Instruction methode daadwerkelijk tot discussie en veranderingen in antwoorden van leerlingen leidde.

In de experimentele interventie stelde Rutten twee aspecten centraal: aansluiten bij de onderzoekscyclus en de leerling centraal stellen / activeren. De experimentele interventie bestond uit klassikaal lesgeven met een computersimulatie op basis van Peer Instruction. Peer Instruction gaat uit van het principe dat leerlingen zelf vaak het beste weten wat je ergens niet aan kan snappen (voor een docent is dat soms lastiger, omdat hij de stof al te lang snapt om zich voor te kunnen stellen hoe je het niet kan snappen). Bij Peer Instruction laat je leerlingen elkaar overtuigen van wat ze denken dat het goede antwoord is. Dat blijkt heel effectief te werken.

De experimentele interventie zag er als volgt uit:
De docent had de controle over het digibord met de simulatie. De onderzoeker had een eigen projectiescherm waarop hij gedurende de les een aantal ConcepTests liet zien. ConcepTests zijn meerkeuzevragen die testen of leerlingen conceptueel inzicht hebben. De ConcepTests uit de interventie waren gerelateerd aan de inhoud van de simulatie: leerlingen moesten een voorspelling doen over het verloop van de simulatie. Dat ging zo:

• De docent gebruikte een simulatie om een verschijnsel kort te behandelen
• De onderzoeker liet de leerlingen een daaraan gerelateerde ConcepTest zien
• De leerlingen dachten individueel na over de vraag en stemden vervolgens met een gepersonaliseerd stemkastje op het in hun ogen juiste antwoord
• Als tussen de 35 en 70% van de leerlingen het juiste antwoord gaf (de vraag was dan niet veel te moeilijk of makkelijk) moesten de leerlingen elkaar overtuigen van hun mening op basis van Peer Instruction
• Daarna volgde een tweede stemronde
• Vervolgens liet de onderzoeker weten wat het juiste antwoord was en had de docent de gelegenheid om aanvullingen te doen / vragen van leerlingen te beantwoorden. Daarna ging de docent verder met de volgende ronde

In totaal bestond de interventie uit 20 stemrondes verdeeld over 2 lessen. Per les werd er ruim een half uur aan de interventie besteed.

Observatiestudie
In de observatiestudie zijn verschillende verbanden gevonden:

• Hoe hoger de docent scoort op de mate waarin zijn les aansluit bij de onderzoekscyclus, hoe meer leerlingen het idee hebben dat dit bijdraagt aan hun inzicht
• Hoe hoger de docent scoort op de mate waarin de leerling centraal staat in de les, hoe meer leerlingen het idee hebben dat lesgeven met computersimulaties bijdraagt aan hun motivatie
• Hoe hoger de leerdoelovereenstemming (tussen door leerlingen en docenten ervaren leerdoelen), hoe meer de docent een positieve attitude heeft over lesgeven m.b.v. onderzoekend leren

Het lijkt voor docenten lastig om zowel aan te sluiten bij de onderzoekscyclus als de leerling centraal te stellen. Voor onderzoekend leren is het belangrijk dat beide aspecten gecombineerd worden.

Experimentele studie
Aan elke docent vroeg Rutten na afloop van de experimentele interventie: “Wat denk je dat de meest invloedrijke factoren zijn die de leerresultaten van de leerling beïnvloed hebben?”. Hieruit bleek bijvoorbeeld dat de docenten het idee hadden dat het stemmen een effectieve manier is om leerlingen enthousiast te maken en hen een actievere rol te geven. De leerlingen waren alert. Ook vonden docenten het positief dat leerlingen na de tweede stemronde direct teruggekoppeld krijgen of het klopt wat ze gestemd hebben. Meerdere docenten vonden het hoogtepunt van de lessen dat de leerlingen elkaar moesten overtuigen. De leereffecten waren niet eenduidig. Dit komt doordat de docenten verschillend reageerden op de experimentele interventie. Sommige docenten gaven zowel in de controleconditie als in de experimentele conditie op dezelfde – interactieve – manier les. Sommige docenten gaven echter in de controleconditie (waarin ze op hun eigen manier les mogen geven met de simulatie) heel interactief les, terwijl zij dit in de experimentele conditie niet deden. Dit belemmert het vergelijken van de controleconditie en de experimentele conditie. Deze studie brengt dus aan het licht dat docenten heel verschillend op een experimentele interventie kunnen reageren. Dit heeft consequenties voor onderzoeksresultaten van vergelijkbare studies in dit onderzoeksveld. In het onderzoek van Rutten waren de onderzoeksresultaten na twee replicaties nog aardig met elkaar in lijn. Veel studies in dit onderzoeksveld gaan vaak niet verder dan dat. Rutten deed dit wel, en de resultaten van de volgende drie replicaties bleken in strijd te zijn met wat hij eerder gevonden had. Toen hij inzoomde op het proces van lesgeven, ontdekte hij de verschillen in hoe docenten op een interventie reageren. Wanneer je hier geen rekening mee houdt, kun je dus de verkeerde conclusies trekken op basis van de resultaten.

Als leerlingen goed begeleid worden, zijn computersimulaties geschikt voor ondersteuning van onderzoekend leren. Dit geldt zowel voor leerlingen die individueel of in kleine groepjes met simulaties werken (al bekend uit eerdere onderzoeken) als voor simulaties die in de klassikale context gebruikt worden (onderzoek Rutten). Wanneer docenten zelf klassikaal lesgeven met en simulatie, blijkt het lastig te zijn om zowel aan te sluiten bij de onderzoekscyclus als de leerling centraal te stellen. In de experimentele interventie is gekozen voor een aanpak waarin deze beide aspecten gecombineerd worden. Het centraal tellen van de leerling werd daarbij ondersteund door een Peer Instruction aanpak te volgen. De deelnemende docenten waren enthousiast over de aanpak; de leereffecten waren echter niet eenduidig.

Fast and frugal heuristics (vuistregels)

• Met computersimulaties kun je onderzoekend leren goed ondersteunen
• Dit is ook goed toepasbaar in de klassikale context

Wanneer je simulaties toepast in de klassikale context, zorg er dan voor dat:

• • je vragen stelt die aansluiten bij de onderzoekscyclus
  • je leerlingen de gelegenheid geeft om antwoord te geven op die vragen
    

• Website: Proefschrift ‘Teaching with simulations’ (Rutten, 2014)Website: Rutten N., Veen van der J.T. & Joolingen van W.R. (2015). Inquiry-based whole-class teaching with computer simulations in Physics. International Journal of Science Education
• Download: Rutten N. & Slooten O. (2015). Computersimulaties in de science vakken: Lesgeven en leren op een onderzoekende manier. NVOX, 40:8, 426-427
• Website: PowerPoint presentatie over de observatie-studie van Rutten
• Website: Weblecture door Rutten over zijn review-studie
• Website: PowerPoint presentatie over de review-studie van Rutten
• Website: Prezi over variabelen die van invloed kunnen zijn op leeropbrengsten van simulaties
• Website: Forum om met Nico Rutten te discussiëren over zijn proefschrift
• Website: PhET bevat vele gratis computersimulaties