Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Een authentieke praktijk als leercontext

Teaching and learning of modelling in chemistry education. Authentic practices as contexts for learning

Gjalt Prins

Download

FI Scientific Library 63

De nieuwe examenprogramma’s in de bètavakken beogen meer samenhang tussen en binnen de vakken, door het gebruik van de concept-context benadering. Prins presenteert in zijn proefschrift een methode waarbij je gebruik maakt van een authentieke praktijk als leercontext. Omdat een authentieke praktijk in veel gevallen discipline overstijgend is, is dit een goede strategie om op natuurlijke wijze samenhang in het bètaonderwijs te realiseren. In zijn promotieonderzoek vormde Prins een authentieke praktijk om tot een onderwijsmodule en onderzocht de leeropbrengsten. Dit leidde tot een gecertificeerde NLT-module en een set ontwerpprincipes voor het ontwerpen van onderwijsmodules met authentieke praktijken als leercontexten.

  • Besteed in de opleidingspraktijk aandacht aan de activiteitstheorie. Laat zien waarin deze aanpak verschilt van andere leertheorieën, zoals het constructivisme
  • Een toepassing van de activiteitstheorie is: het omvormen van een authentieke praktijk tot een onderwijsleerproces. Het lesmateriaal ‘Zuiver drinkwater?!’ kan gebruikt worden als voorbeeld hiervan
  • Door een authentieke praktijk als leercontext te gebruiken, creëer je automatisch vakoverstijgend lesmateriaal

Wat is er belangrijk voor een opleider?

Wanneer je aan lio’s een palet aan leertheorieën schetst, zou ook de activiteitstheorie van Leont’ev moeten worden behandeld. De kernelementen van deze leertheorie zijn (menselijke) activiteiten en handelingen (zie onder “Authentieke praktijk als leercontext” voor meer informatie over de activiteitstheorie). Op basis van deze leertheorie zijn verschillende onderwijsmaterialen gemaakt, o.a. de NLT module ‘Zuiver drinkwater?!’ van Prins. De basis voor deze module is de authentieke praktijk van het modelleren van het proces van drinkwaterbereiding uit oppervlakte- en grondwater. De sequentie van activiteiten en handelingen die worden uitgevoerd door de betrokken medewerkers, de (achtergrond)kennis die zij daarbij nodig hebben en de attitude vormen deruggengraat van de onderwijsmodule.

Wat kan een docent eraan hebben?

Een docent kan de gecertificeerde NLT-module ‘Zuiver drinkwater?!’, die Prins ontwikkeld heeft tijdens zijn promotieonderzoek, gebruiken in zijn/haar klassen. De module leent zich goed voor projectonderwijs. Ook kan een docent, op basis van ontwerpprincipes die Prins geformuleerd heeft, zelf onderwijsmateriaal ontwikkelen dat start vanuit een authentieke praktijk als leercontext.

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: theoretisch kader

Eén van de kernen van de nieuwe examenprogramma’s is meer samenhang tussen en binnen de bètavakken door het gebruik van de concept-context benadering. Prins presenteert in zijn proefschrift een strategie waarbij je gebruik maakt van een authentieke praktijk als leercontext. Het gebruik van een dergelijke leercontext resulteert automatisch in samenhang. Deze samenhang heeft betrekking op twee niveaus:

  • Er is een logische koppeling tussen de activiteiten, relevante kennis en attitudes
  • Er is samenhang tussen relevante kennis uit de traditionele bètadisciplines

Een stap buiten school zetten, kijken wat daar gebeurt en dat weer vertalen naar een schoolsituatie is dus een strategie om op natuurlijke wijze tot samenhang tussen de traditionele bètavakken te komen. Toepassen van deze strategie is echter niet triviaal: de kunst is om de essentiële elementen in de authentieke praktijk te behouden in de leercontext. Om dit ontwerpproces te ondersteunen geeft Prins een aantal ontwerpprincipes die gebruikt kunnen worden om authentieke praktijken om te vormen tot leercontexten. Deze ontwerpprincipes zijn mogelijk interessant voor onderwijsontwikkelaars.

De concept-context (CoCo) benadering gaat om het doceren van concepten of vaardigheden vanuit een context. Hierbij is het belangrijk dat de context herkenbaar is voor leerlingen. Prins stelt in zijn proefschrift de authentieke praktijk als leercontext centraal: een groep experts die aan een vraagstuk werkt volgens een karakteristieke procedure en met bepaalde (voor)kennis.

Hoe gebruik je een authentieke praktijk als context?
Wanneer je een authentieke praktijk als leercontext in de CoCo benadering wilt gebruiken, is het belangrijk om aandacht te besteden aan:

  • Relevantie: Waarom werken die experts aan dat vraagstuk?
  • Procedure: Hoe pakken ze het aan? Welke stappen ondernemen de experts?
  • Concepten: Welke kennis hebben de experts hierbij nodig?

Dit kun je gebruiken als ruggengraat voor een onderwijsleerproces. Je kunt bijvoorbeeld in het onderwijsleerproces de procedure (stappen) aanhouden die de experts ook doorlopen. Hierbij is het wel belangrijk om rekening te houden met verschillen tussen:

  • experts en leerlingen (novices)
  • werk- en schoolomgeving

Leertheoretisch uitgangspunt: de activiteitstheorie
Het gebruiken van een authentieke praktijk baseert Prins op de activiteitstheorie van Leont’ev, die zich op zijn beurt baseerde op het werk van Vygotsky. Vygotsky stelde dat mensen leren in community’s: groepen mensen die samen iets doen. Hierbij specifieerde hij niet wat, hoe, waarom ze dat doen en hoe leren dan plaatsvindt. Leont’ev sloot aan bij de theorie van Vygotsky, en heeft hierin de focus gelegd op activiteiten. Leont’ev stelde dat leren plaatsvindt door het doen van activiteiten: je doet iets en loopt tegen bepaalde moeilijkheden aan, dit geeft je een motief om op zoek te gaan naar kennis (bijvoorbeeld door mensen te zoeken die zoiets al eerder hebben gedaan).
Zie onder “Verwijzingen” voor een aantal informatiebronnen over de activiteitstheorie.

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: het onderzoek

Hoofd- en deelvragen
De hoofdvraag van het onderzoek was: Hoe ontwerp je onderwijsmateriaal, startend vanuit een authentieke praktijk, en wat zijn de leeropbrengsten daarvan voor leerlingen?

De bijbehorende deelvragen waren:

Welke praktijk is geschikt om als context te gebruiken?Wat zijn de karakteristieken van het onderwijsleerproces, gebaseerd op de praktijk?Kunnen de empirisch gefundeerde ontwerpprincipes ook toegepast worden op een andere praktijk?

Onderzoeksmethoden
Prins heeft zich gefocust op authentieke praktijken waarin ‘gemodelleerd’ wordt. Het onderzoek bestond uit vijf fasen:

Fase 1: Praktijk kiezen en ontwerpspecificaties opstellen

De keuze van de praktijk geeft ruwe ontwerpspecificaties, o.a.: het modelleervraagstuk, welke kennis en vaardigheden daarvoor nodig zijn en hoe de praktijk zich in de maatschappij situeert.

Fase 2: Outline maken voor onderwijsmateriaal

De gehele praktijk, in het geval van Prins het modelleren van het proces van drinkwaterbereiding met vele stappen, is te groot om volledig in de klas te onderwijzen. Er moeten keuzes gemaakt worden. In fase 2 lijnde Prins uit waar het onderwijs over moet gaan.

Voor de ontwerpspecificaties en outline (fase 1 en 2) heeft hij drinkwater-experts geïnterviewd en docenten bij het proces betrokken.

Fase 3: Voorleggen aan focusgroep leerlingen

Prins schreef een deel van het onderwijsleerproces uit en legde dit voor aan een focusgroep van 18 leerlingen. Hij vroeg de leerlingen of ze met het modelleervraagstuk overweg konden en of ze er een modelleerprocedure bij konden bedenken. Dit was belangrijk om aan te sluiten bij wat leerlingen al weten en kunnen.

Fase 4: Onderwijsleerproces maken en testen

Vervolgens schreef hij het onderwijsleerproces uit en maakte onderwijsmateriaal. Hierbij werkte Prins nauw samen met docenten die het onderwijsmateriaal bekeken, aangaven waar uitdagingen en leeropbrengsten zitten, en inschatten of leerlingen ermee overweg zouden kunnen. Prins voerde het uit in de klas, volgde het leerproces, interviewde leerlingen en verbeterde het ontwerp op basis van de uitkomsten. Deze cyclus herhaalde hij 3x. Hij deed een casestudy met één klas leerlingen van één school, om de leeropbrengsten van het onderwijsmateriaal te testen.

Fase 5: Ontwerpprincipes

In de laatste fase expliciteerde Prins de empirisch gefundeerde ontwerpprincipes. Aan de hand van deze ontwerpprincipes ontwierp hij samen met docenten een leercontext gebaseerd op een andere authentieke modelleerpraktijk.

Het onderzoek heeft drie soorten resultaten opgeleverd: lesmateriaal, de leeropbrengsten van het onderwijsleerproces en ontwerpprincipes.

Over het lesmateriaal leest u meer onder de alinea ‘lesmateriaal’. De onderzoeksresultaten worden hieronder besproken.

Leeropbrengsten onderwijsleerproces
Door het volgen van het onderwijsleerproces krijgen leerlingen beter inzicht in de epistemologie van modellen en modelleren.

Bij het modelleren van processen heb je te maken met een proces met een input en output, waar diverse procesvariabelen een
invloed op hebben. Zie ook onderstaande figuur.

Er zijn grofweg twee modelleeraanpakken mogelijk:

  • Empirische aanpak: Je beschouwt het proces als een ‘black box’. Je probeert te achterhalen wat er in de black box gebeurt door veel experimenten te doen, waarbij je de procesvariabelen varieert en naar de input en output kijkt. Met behulp van statistiek correleer je alle meetresultaten met elkaar
  • Mechanistische aanpak: Je probeert op te helderen hoe het proces verloopt. Deze aanpak is fundamenteler van aard. Hierbij beschrijf je heel precies wat er in de black box gebeurt: welke invloed heeft een bepaalde procesvariabele op een bepaald deeltje of stof

De experimentele aanpak is (over het algemeen) sneller en goedkoper, maar minder precies dan de mechanistische aanpak.

Na het volgen van de module ‘Zuiver Drinkwater?!’ hebben leerlingen meer inzicht gekregen in deze modelleeraanpakken en afwegingen om voor de ene of andere aanpak te kiezen. Leerlingen zijn zelf aan de slag gegaan met de empirische modelleeraanpak. Ze hebben inzicht gekregen in de stappen waaruit deze aanpak bestaat. Ook hebben ze geleerd hoe ze het model wat er uiteindelijk uitkomt moeten beoordelen a.d.h.v. generieke kwaliteitscriteria:

  • Wat is het doel van het model?
  • Hoe goed past dit model op de meetresultaten?
  • Wat is de betrouwbaarheid van het model?
  • Wat is de geldigheid van het model?

Deze generieke kwaliteitscriteria gelden voor alle modellen in de natuurwetenschappen en wiskunde. Deze criteria zouden leerlingen idealiter dus ook kunnen toepassen op andere modellen.

Ontwerpprincipes
Prins heeft heuristische ontwerpprincipes opgesteld om een authentieke praktijk om te vormen tot een leercontext. Hieronder staat een aantal voorbeelden van deze ontwerpprincipes:

  • Laat leerlingen zich allereerst oriënteren op de praktijk, d.w.z. waar en hoe de praktijk zich in de maatschappij bevindt (bijvoorbeeld via een excursie)
  • Gebruik de activiteiten die experts achtereenvolgens uitvoeren als ruggengraat voor (de sequentie van) je onderwijsleeractiviteiten
  • Laat de docent met leerlingen bespreken welke modelleeraanpakken er zijn en waarom ze in de les voor een bepaalde aanpak kiezen
  • Voor ondersteuning tijdens het modelleren kun je de leerlingen een projectplan uit de praktijk geven, waarop ze kunnen spieken hoe de experts een modelleervraagstuk aanpakken
  • Maak een bronnenboek, gebaseerd op de gebruikte literatuur, handleidingen en instructies in de praktijk, waarin alle benodigde kennis verpakt is in de vorm van artikelen en naslagwerken. Leerlingen kunnen dit dan raadplegen op het moment dat ze er behoefte aan hebben
  • Gebruik een authentiek communicatiemiddel uit de praktijk als toetsinstrument (in de authentieke praktijk van modelleren van het proces van drinkwaterbereiding was dit een zgn. factsheet)

In het lesmateriaal oriënteren leerlingen zich eerst op de problemen die een rol spelen in drinkwaterbereiding, met een focus op normoverschrijdingen in het drinkwater. Drinkwaterbedrijven willen dit uiteraard voorkomen. Daarvoor is er (meer) inzicht nodig in het proces van drinkwaterbereiding; leerlingen worden erop gewezen dat vele factoren hierin een rol spelen.

Vervolgens wordt ingezoomd op één zuiveringsstap: vlokbehandeling (coagulatie en flocculatie) waarbij kleine zwevende deeltjes die het water troebel maken uit het water gehaald worden. Leerlingen bestuderen deze zuiveringsstap uitgebreid: wat gebeurt er chemisch gezien en welke variabelen spelen hierin een rol? Vervolgens gaan leerlingen een modelleerprocedure opzetten: als je de invloed van al die factoren wil kwantificeren in een wiskundig model, wat moet je dan allemaal doen?

Vervolgens voeren ze de modelleerprocedure uit. Omdat er veel variabelen zijn, wordt de klas in groepjes verdeeld die allemaal een beperkt aantal variabelen onderzoeken. Leerlingen doen zelf experimenten: hierin brengenze op een gecontroleerde manier de invloed van de variabelen in kaart. Het eindresultaat is een serie spreidingsdiagrammen waarin per variabele de invloed op de eindtroebeling van water staat uitgezet. Met de spreidingsdiagrammen bekijken leerlingen welke variabele significant van invloed is op de eindtroebeling van water. De variabelen die significante invloed hebben, worden meegenomen in de regressieanalyse. De leerlingen voeren zowel een enkel- als meervoudige regressie uit. Uiteindelijk rolt daar een statistisch model uit waarin de eindtroebeling als functie van de procesvariabelen en de begintroebeling berekend kan worden. Met dit model rekenen leerlingen reële vlokbehandelingsprocessen door. Ze adviseren drinkwaterbedrijven over de hoeveelheid toe te voegen coagulant aan ‘ruw’ Rijnwater om helder drinkwater te produceren dat voldoet aan de troebelingsnorm.

In de figuur wordt een overzicht gegeven van de modelleerprocedure die leerlingen volgen en bijbehorende kennis:

Leerlingen rapporteren over hun resultaten in een factsheet. De factsheet wordt gebruikt als toetsing.

Het onderwijsmateriaal is gecertificeerd als een NLT-module:

Eén van de kernen van de nieuwe examenprogramma’s is meer samenhang tussen en binnen de bètavakken door het gebruik van de concept-context benadering. Prins presenteert in zijn proefschrift een strategie waarbij je gebruik maakt van een authentieke praktijk als leercontext. Omdat een authentieke praktijk in veel gevallen discipline overstijgend is, is dit een goede strategie om op natuurlijke wijze samenhang in het bètaonderwijs te realiseren. Een authentieke praktijk omvormen tot een leercontext, volgens de ontwerpprincipes van Prins, blijkt een vruchtbare aanpak. De leerresultaten laten zien dat leerlingen beter inzicht in de epistemologie m.b.t. modellen hebben verworven en inzicht hebben gekregen in de empirische en mechanistische modelleerprocedure. Een beperking van deze methode is dat het meer tijd kost dan traditioneel onderwijs. Het lesmateriaal van Prins is gecertificeerd als NLT-module.

Toekomst
De ontwerpprincipes zijn gebaseerd op één praktijk die omgezet is in een leercontext. Om de potentie van deze aanpak beter in beeld te krijgen, is Prins bezig met het laten omvormen van andere praktijken naar leercontexten, waarbij ook gebruik gemaakt wordt van andere modelleeraanpakken dan de empirische modelleeraanpak. Het gaat om drie modules:

  • Molecular Modelling
  • Modelleren van menselijke opname van schadelijke stoffen uit consumentenproducten
  • Kanstheoretische benadering van chemische reactiekinetiek

Verwijzingen

Gerelateerde artikelen

ELWIeR en Ecent als één STEM