Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Wetenschap en technologie als grondhouding en vakoverstijgende benadering

In Nederland wordt 4% van de schooltijd op de basisschool aan W&T besteed, terwijl dit in de OESO-landen gemiddeld 10% is. In 40% van de OESO-landen maken alle kinderen wel eens de onderzoekend/ontwerpend leren cyclus mee, terwijl dit in Nederland slechts 5% is. Ook zegt 13% van de Nederlandse leraren nooit een proefje te doen (onderzoek in groep 6). Daarom stond in de W&T masterclass van 12 november 2014 wetenschap en technologie als grondhouding en vakoverstijgende benadering centraal. In dit webartikel vindt u een verslag van de vier lezingen tijdens deze masterclass.

Wat is er belangrijk voor een opleider?

Dit webartikel gaat in op wetenschap en techniek als grondhouding en vakoverstijgende benadering, door onderzoekend leren te koppelen aan vakken en activiteiten.

  • De lezingen ‘Kleine onderzoekers in de zandbak van een aardwetenschapper’ en ‘Professionaliseren van leraren in de didactiek van het onderzoekend leren’ gaan dieper in op onderzoekend leren: hoe doe je dit en hoe help je leraren hierbij?
  • De lezingen ‘Academische taal en gesprekken over techniek met kleuters’ en ‘Met lijf en leden – een embodied cognition benadering van wetenschappelijk redeneren’ gaan in op de rol van taal in wetenschap en techniek op de basisschool

Lezingen

Kleine onderzoekers in de zandbak van een aardwetenschapper
Lezing door: Maarten Kleinhans (Universiteit Utrecht, Faculteit Geowetenschappen)

Onderzoekend leren kan met ‘alles’, variërend van dagelijkse dingen zoals eten tot de natuur. Ruimte voor vragen is essentieel bij onderzoekend leren. De onderzoekscyclus bestaat namelijk uit het stellen van vragen en deze kritisch testen. Meer in detail:

  • Vragen oproepen
  • Mogelijke verklaring bedenken
  • Experiment ontwerpen
  • Experiment uitvoeren en gegevens verzamelen
  • Verklaring evalueren en concluderen
  • Rapporteren
  • Nieuwe vragen (en de cyclus eventueel weer opnieuw doorlopen)

Wetenschap op de basisschool
Maarten Kleinhans laat zien dat wetenschap helemaal niet te moeilijk is om uit te leggen op de Pabo. Hij kleedt de essentie van de wetenschap uit tot iets simpels, namelijk het bakken van pannenkoeken:

  • Vraag: Waarom moet er een ei in het beslag?
  • Laat de leerlingen een verklaring bedenken: Ze komen bijvoorbeeld met ‘het smaakt beter’ en ‘zodat het plakt’
  • Vervolgens denkt hij met leerlingen na over de vraag: hoe ga je dat dan onderzoeken? Leerlingen zijn in staat te bedenken hoe je echt eerlijk kan vergelijken: pannenkoeken zonder ei én pannenkoeken met ei in het beslag bakken
  • De leerlingen gaan dit in de praktijk brengen: ze gaan pannenkoeken bakken
  • Ze bekijken wat er gebeurt en gaan na of dit is wat ze hadden verwacht

In het onderstaande filmpje zie je hoe dit in praktijk gaat:

Een ander startpunt voor onderzoekend leren kan het spel Expeditie Moendoes zijn. Alle Pabo-opleidingen hebben dit spel ontvangen. Bij dit spel breng je als ‘team van wetenschappers’ een onbekende planeet in kaart. Doordat er nog niets over deze planeet bekend is, kun je allerlei vragen stellen.

Onderzoekend leren is op de basisschool ook mogelijk met gecompliceerdere experimenten. Zo hebben ze op basisschool de Klokbeker in Ermelo een zandbak gebouwd om onderzoek te doen naar rivieren. Dat is te zien in dit filmpje.

Ze onderzoeken bijvoorbeeld of het water sneller stroomt in een brede of smalle rivier, waarbij ze de onderzoekend leren cyclus (zie figuur) doorlopen. Dit is goed vergelijkbaar met het wetenschappelijk onderzoek naar rivierpatronen van Maarten Kleinhans zelf.


Tips bij onderzoekend leren met kinderen:

  • Om het onderzoek van de kinderen te laten slagen, is het van belang dat zij een enkelvoudige onderzoeksvraag hebben, waarbij slechts één variabele verandert. Vragen die kinderen zelf bedenken zijn namelijk vaak te groot, zodat het op meerdere manieren te onderzoeken is
  • Het stellen van vragen tijdens de empirische cyclus is erg belangrijk, in dit document en dit filmpje worden daar handvatten voor gegeven
  • Gebruik géén standaard experimenten volgens ‘een recept’ (want dan kan een antwoord enkel goed of fout zijn…)
  • Start simpel (blijf bij de belevingswereld van de docent; die is beperkend, want de leerlingen gaan tot de randen van het heelal)
  • Start met een klassikale les over de onderzoekscyclus, bijvoorbeeld het pannenkoeken bakken
  • Wijs verschijnselen aan en benoem ze
  • Zorg ervoor dat de kinderen dingen vast kunnen houden: zelf voelen leidt tot begrip (belichaamde kennis)
  • Zorg voor intrinsieke motivatie van de kinderen. Dit kan door het experiment in te passen in de belevingswereld van de kinderen of door bijvoorbeeld een ‘wauw’ of ‘jakkes’ effect op te roepen
  • Trek meerdere lesuren uit voor een W&T les waarin kinderen een eigen onderzoek doen
  • Nabespreken is essentieel
  • Doe zelf onderzoekjes, want dan begrijp je het bovenstaande van nature en wordt het geen recept

Professionaliseren van leraren in de didactiek van het onderzoekend leren
Lezing door: Martina van Uum (Wetenschapsknooppunt Radboud Universiteit)

In 2020 moeten alle basisscholen W&T geven. Echter, een groot deel van zowel de zittende leraren als 3e/4e-jaars pabostudenten (die het W&T onderwijs al gehad hadden) geeft aan dat ze te weinig kennis over (lesgeven in) W&T hebben. Daarom was de centrale vraag in de presentatie van Martina van Uum: Hoe kunnen we basisschool leraren professionaliseren in het onderzoekend leren? Martina ging in haar presentatie in op:

  1. Een raamwerk voor docenten
  2. Hulpmiddelen om leerlingcompetenties te vergroten
  3. Een professionaliseringscursus

Een raamwerk voor docenten
Het doel van onderzoekend leren is om de kennis en vaardigheden van kinderen te vergroten op vier domeinen (uitkomsten literatuurstudie):

  1. Conceptueel: voorkennis ophalen en kennis uitbreiden
  2. Epistemisch: hoe wetenschappelijke kennis tot stand komt
  3. Sociaal: communiceren binnen je onderzoeksgroep en communiceren over je onderzoek
  4. Procedureel: vaardigheden m.b.t. onderzoekend leren

De zeven stappen van onderzoekend leren zijn:

Martina onderzoekt hoe deze stappen en domeinen gecombineerd kunnen worden tot een raamwerk voor leraren, dat zij kunnen gebruiken om leerlingen te begeleiden bij onderzoekend leren. Op basis van video-analyses van onderzoekend leren projecten, is dit voorlopige raamwerk opgesteld:

  Fase Domein
1 Introductie Epistemisch
2 Verkennen Conceptueel
3 Opzetten onderzoek Procedureel, epistemisch, sociaal
4 Uitvoeren onderzoek Procedureel
5 Concluderen Procedureel, epistemisch
6 Presenteren Sociaal
7 Verdiepen/verbreden Reflectie op de domeinen

Hulpmiddelen om leerlingcompetenties te vergroten
Op basis van dit raamwerk heeft Martina scaffolds ontwikkeld die leraren kunnen gebruiken om de onderzoekend leren competenties van leerlingen te verbeteren. Het gaat om twee soorten scaffolds:

  • Zachte scaffolds: hulp bieden wanneer het nodig is, bijvoorbeeld wanneer een leerling een vraag stelt
  • Harde scaffolds: dit is een scaffold (bijvoorbeeld op papier) die een leraar van te voren maakt op basis van zijn/haar inschatting van moeilijkheden in de onderzoekend leren les. Harde scaffolds kunnen informatief of activerend zijn. Een voorbeeld van een activerende harde scaffold is Het vragenmachientje: Is de onderzoeksvraag geschikt?

Uit onderzoek naar deze scaffolds blijkt dat (voorlopige resultaten) de activerende harde scaffolds het meest bruikbaar waren en dat de tekst op een scaffold beperkt moet zijn.

Een professionaliseringscursus
Op basis van de resultaten van het onderzoek naar het raamwerk en de scaffolds ontwikkelt Martina momenteel een professionaliseringscursus. Bekijk de website van het Wetenschapsknooppunt Radboud Universiteit voor meer informatie over de cursus.

Academische taal en gesprekken over techniek met kleuters
Lezing door: Lotte Henrichs (Universiteit Utrecht, Faculteit Sociale Wetenschappen)

Met 5-jarigen praten over techniek is zeer waardevol en biedt veel mogelijkheden voor vroeg oefenen met academisch taalgebruik. Wanneer spreek je eigenlijk van academische taal? Lotte Henrichs benadert academische taal als een continuüm:

Het ene uiterste van het continuüm bevat ‘echte’ academische activiteiten, bijvoorbeeld een academisch essay schrijven. Het andere uiterste is informeel, bijvoorbeeld een simpel gesprek tussen kleuters over een verschijnsel. De boodschap achter dit continuüm is dat je niet kunt zeggen “dit is academische taal”, maar wel “dit gesprek laat meer/minder kenmerken van academische taal zien”. Kenmerken van academische taal zijn bijvoorbeeld:

Inhoud Gesprek buiten hier-en-nu (gesprek gaat over iets dat je niet aan kunt raken)
Gebruik specifiek (technisch) lexicon (expliciet benoemen)
Veel verschillende soorten woorden gebruiken
Standpunt Leraar (autoriteit) presenteert kennis
Leraar positioneert kinderen als wetend
Kinderen nemen standpunt van kenner in
Opbouw Initiatief – respons – evaluatie
Voortbouwen op inbreng kinderen (scaffolding principe)
Complex samengestelde zinnen gebruiken

Academische taal is nodig om kennis te verwoorden, de instructie te begrijpen en om te praten over onderwerpen buiten het hier-en-nu.

Sommige activiteiten lenen zich meer/minder voor academisch taalgebruik. Afhankelijk van de thuissituatie zal het ene kind ook meer gewend zijn dan het andere kind om een gesprek te voeren dat zich meer aan de academische kant van het continuüm bevindt.

Kleuters hebben een krachtige intuïtie over natuurwetenschappelijke fenomenen, maar deze verwoorden is uitdagend: zowel voor de kleuters als de leraar. Leraren zijn onzeker over W&T, waardoor ook de gesprekken over W&T onderwerpen oppervlakkig kunnen blijven. Er wordt bijvoorbeeld alleen benoemd wat er te zien is, terwijl mogelijke verklaringen over waarom iets gebeurt uitblijven.

Onderzoek naar training voor docenten
Lotte Henrichs heeft onderzocht of leraren getraind kunnen worden in het bewust meer gebruiken van academische taal wanneer ze met kleuters praten. In haar onderzoek participeerden 59 groep 2 leraren en 241 5-jarige leerlingen. De leraren werden in twee groepen verdeeld: een groep die een lichte training kreeg en een groep die geen training kreeg. De training bestond uit:

  • Videomateriaal (ga naar: opbrengsten – video) bekijken
  • Een kijkwijzer invullen over taalgebruik in het filmpje
  • Discussie over het videomateriaal
  • Kort college over academische taal
  • Opnieuw het videomateriaal bekijken en letten op academische taal
  • ‘Tops’ en gemiste kansen bespreken

In januari werd er een voormeting gedaan, waarin de leraren techniektaakjes deden met de kinderen over vliegtuig bouwen, luchtdruk (m.b.v. spuitjes) en periscoop. Vervolgens kregen 32 leraren de training en 27 leraren geen training. In juni werd er een nameting gedaan, waarbij de leraren weer luchtdruk en periscoop techniektaakjes met de kinderen deden. De lessen werden opgenomen en geanalyseerd op academische taal.

De leraren die de training hadden gehad, gebruikten bij de luchtdruktaak:

  • meer variatie aan woorden
  • meer domein-specifieke woorden
  • meer complexe zinnen

Voor complexe vragen en algemene schooltaalwoorden was er geen significant verschil met de controlegroep. Bij de periscooptaak waren er helemaal geen significante verschillen met de controlegroep. De leraren, zowel de getrainde als niet-getrainde, waren erg onzeker over de periscooptaak. Doordat ze het moeilijk vonden, bleven de gesprekken zeer oppervlakkig. Naast kennis over het gebruik van academische taal, is dus ook inhoudelijke kennis van belang.

Meer weten over academische taal bij kleuters? Bekijk het filmpje.

Met lijf en leden – een embodied cognition benadering van wetenschappelijk redeneren
Lezing door: Paul Leseman (Universiteit Utrecht, Faculteit Sociale Wetenschappen)

Er is groeiend bewijs dat de betekenissen van woorden (ook abstracte) verankerd zijn in lichamelijke gewaarwordingen, aldus Paul Leseman. In experimenten kun je de externe fysieke omstandigheden manipuleren, bijvoorbeeld de temperatuur in de kamer. Dat beïnvloedt de snelheid en precisie waarmee je een woord op een computerscherm herkent en welke associaties je ermee hebt. Bijvoorbeeld: in een warme kamer ken je begrippen als ‘liefdevol’ beter dan in een koude kamer. De lichamelijke gewaarwording van warmte behoort kennelijk tot het betekenisnetwerk van het woord liefdevol. Deze en verschillende andere experimenten maken aannemelijk dat onze taal en begrippen embodied zijn: dat hun betekenis deels in lichamelijke gewaarwordingen en motorische handelingen is verankerd. Geldt dit ook voor wetenschappelijke begrippen?

Gebaren
Hoe kunnen we weten dat een reeks klanken, bijvoorbeeld ‘b-o-o-m’ het fysieke object [boom] betekent? Er is geen intrinsieke relatie tussen de klankreeks en het fysieke object; die relatie is willekeurig en berust op afspraken tussen taalgebruikers. We spreken af dat ‘boom’ [boom] betekent. Maar in welke taal doen we dat dan en hoe hebben we díe taal geleerd? Volgens taalpsycholoog Tomasello:

  • moeten een kind en zijn/haar opvoeder hun aandacht richten op het object waarvoor de opvoeder het kind het passende woord uit de moedertaal wil leren, en ze moeten van elkaar weten dat ze beiden naar dit object kijken. Dit heet ‘gedeelde aandacht’. Woord en object moeten dus door gedeelde aandacht gekoppeld worden
  • moet er een gedeeld begrip zijn van wat dit object is, hoe het eruit ziet, hoe het aanvoelt, wat je ermee kunt enz.

De grondslag van de taal is volgens Tomasello “een gedeeld systeem van betekenissen, die verankerd zijn in onze zintuigen, lichamen, hersenen en in de activiteiten die we ondernemen in onze omgeving”. Kind en opvoeder delen die primaire betekenissen, omdat het motorische apparaat en de zintuiglijke waarneming ongeveer op dezelfde manier functioneren. Dit verklaart ook waarom gebaren, zoals wijzen naar iets of het motorisch imiteren van de vorm van een object, zo’n prominente rol spelen in de vroege taalontwikkeling. En waarom gebaren nog steeds belangrijk zijn, ook bij volwassenen, als je een ingewikkeld principe wilt begrijpen.

Gebaren slaan een brug tussen de fysieke wereld en de symbolen waarmee we die wereld proberen te begrijpen. Wiskundestudenten die het bewijs van een abstract theorema willen doorgronden, maken bijvoorbeeld spontaan intensief gebruik van gebaren, die kennelijk hun verbale redeneringen ondersteunen. Uit onderzoek blijkt bovendien een sterke samenhang tussen de aard van de verbale expressie en het type gebaar:

  • Bij dynamische concepten (zoals ‘toename’) worden vloeiende grove bewegingen geobserveerd
  • Bij statische concepten (zoals ‘bevatten’) worden staccato-achtige fijne bewegingen geobserveerd

Dit kan erop wijzen dat het redeneren over abstracte theoretische principes dichter bij concreet handelen in ruimte en tijd ligt, dan we misschien zouden denken. Hersenonderzoek laat ook zien dat taal belichaamd is. De pre-motorische hersenschors is bijvoorbeeld betrokken bij het analyseren van de betekenis van taal.

Primaire metaforen
Handelen in ruimte en tijd is van belang voor cognitie. Wanneer kleine kinderen spelen zijn zij bezig met het ontdekken van fundamentele eigenschappen van de omgeving. Door speelgoed in een bak te doen, blokken op elkaar te stapelen of onder de tafel te kruipen, construeren kinderen belichaamde kennis (sensorimotor schema’s genoemd) van ruimtelijke relaties zoals [in], [op] en [onder]. Tegelijkertijd zijn zij bezig met het verwerven van taal en horen ze de woorden ‘in’, ‘op’ en ‘onder’. Zo kunnen ze een relatie leggen tussen sensorimotor schema en woord. De oorspronkelijke sensorimotor kennis wordt hierbij als het ware herschreven in taal (de zogenaamde primaire redescription). Zo ontstaan primaire metaforen. Kinderen die spelen zijn dus eigenlijk bezig de bouwstenen van (ruimtelijke) cognitie en (ruimtelijke) taal te construeren. En inderdaad, kinderen die meer (ruimtelijk) exploreren, verwerven eerder (ruimtelijke) taal.

Wat zegt dit nu over abstract, logisch en wetenschappelijk redeneren? Een voorbeeld van een belangrijk sensorimotor schema voor logisch redeneren, is het container schema (zie figuur). Sensorimotor kennis van een container (bijvoorbeeld het spelende kind dat speelgoed in een bak doet, er weer uit haalt, speelgoed naast de bak ziet liggen, de bak optilt en verplaatst en ziet wat er verandert en constant blijft) is te zien als de belichaamde betekenis van abstracte begrippen als klasse, verzameling en categorie.

In de logica is een verzameling formele regels geformuleerd, waaraan deugdelijk logisch en wetenschappelijk redeneren moet voldoen. Dat zijn formaliseringen als “Gegeven twee verzamelingen A en B en een element X, als A een deelverzameling is van B en X is een lid van A, dan is X een lid van B”. Abstract geformuleerd zijn dit soort regels best lastig te begrijpen. Het sensomotorische containerschema daarentegen biedt als het ware in één oogopslag de inzichten en afleidingen waarvoor de logica regels zijn opgesteld. Logisch redeneren is, in de optiek van de embodied cognition theorie, het mentaal ‘simuleren’ van het sensorimotor schema (het mentaal nog eens aflopen van de verschillende handelingen die mogelijk zijn met bakjes, speelgoed e.d.).

Wetenschappelijk redeneren
Naast primaire metaforen zijn er ook conceptuele metaforen. Dit zijn cognitieve structuren die opgebouwd zijn uit primaire metaforen. Bij basaal redeneren wordt er gebruik gemaakt van primaire metaforen en de impliciete kennis en handelingsmogelijkheden die hieraan verbonden zijn. Bij complex redeneren worden netwerken van primaire en conceptuele metaforen gebruikt. Om te kunnen abstraheren moet je verschillende conceptuele metaforen vermengen en combineren. Voor creativiteit is het nodig combinaties te maken van metaforen die in de werkelijkheid niet voorkomen of die je in elk geval zelf nog niet lijfelijk hebt ervaren. Het begrijpen van en kunnen redeneren met complexe en abstracte begrippen, zou echter nog steeds berusten op mentaal gesimuleerde sensorimotor handelingen, waarvan de gebaren die mensen spontaan maken bij het redeneren een teken zijn.

Paul Leseman benoemt de volgende implicaties hiervan:

  • Inhoudelijke W&T domeinen zijn onmisbaar in het onderwijs, omdat ze de basis vormen voor funderende sensorimotor kennis van fenomenen binnen deze domeinen
  • Beredeneerde variatie aan exploratiemogelijkheden binnen en over inhoudelijke domeinen is belangrijk om tot sensorimotor schema’s te komen die algemener geldig zijn en kennis geven over overeenkomsten tussen domeinen
  • Voor ‘redescriptie’ zijn reflectie, discussie en co-constructie in groepswerk onmisbaar, omdat zo primaire en conceptuele metaforen worden gecreëer

Verwijzingen

  • Website: Op de W&T masterclass website vindt u o.a. de presentaties van de lezingen en aanvullende literatuur

W&T Masterclass

De W&T masterclass is georganiseerd door Education for Learning Societies (ELS) van de Universiteit Utrecht, het Landelijk Overleg Lerarenopleidingen Basisonderwijs (LOBO), TechYourFuture: Centre of Expertise Techniekonderwijs en het lectoraat Leiderschap in Onderwijs en Opvoeding van Hogeschool Windesheim Flevoland.

ELWIeR en Ecent als één STEM