Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties

Macro-micro denken bij scheikunde is wereldwijd een erg lastig onderdeel voor leerlingen. Daarom introduceert Meijer in zijn proefschrift een nieuwe manier om macro-micro denken aan te leren: macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties. Om te onderzoeken of deze nieuwe manier van macro-micro denken ook de gewenste resultaten oplevert, heeft Meijer een module ontworpen en deze getest met leerlingen. Het blijkt dat leerlingen macro-meso-micro denken onder de knie krijgen. Bovendien heeft het onderzoek van Meijer ontwerpprincipes voor macro-meso-micro lesmateriaal opgeleverd.

  • De term macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties is nu vollediger dan macro-micro denken
  • Macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties is een vorm van systeemdenken
  • Er zijn drie vormen van relevantie voor leerlingen waaraan onderwijs(materiaal) idealiter zou moeten voldoen: relevante context, relevante activiteiten en relevante concepten.
  • Daaruit komen de volgende ontwerpprincipes voort: context-principe, sequentie-principe en content-principe. Voor 3 ontworpen modules waren deze principes bruikbaar, maar meer onderzoek is nodig om ze te kunnen generaliseren
  • Als je leerlingen ‘als onderzoekers’ laat werken, moeten ze het gevoel hebben dat wat ze maken en doen van hunzelf is en niet van de docent (valt onder het sequentie-principe)

Wat is er belangrijk voor een opleider?

Macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties is een vorm van systeemdenken. Bij macro-meso-micro denken wordt gebruik gemaakt van structuren op tussenliggende niveaus of schalen, waardoor het voor leerlingen relevanter wordt om meer over de relatie tussen macro en micro niveau te weten. Daarom is het waardevol om dit met studenten te gaan onderzoeken en om vanuit deze denkwijze onderwijsmateriaal te maken. Dit artikel biedt:

  • Uitleg over macro-meso-micro denken
  • Concrete voorbeelden
  • Onderwijsmateriaal
  • Drie vormen van relevantie, en hoe deze vormgegeven kunnen worden in lesmateriaal (ontwerpprincipes). Dit zorgt ervoor dat macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties relevant wordt voor leerlingen

Wat kan een docent eraan hebben?

Dit artikel biedt onderwijsmateriaal over macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties dat in de klas kan worden gebruikt. Onder ‘Verwijzingen’ vindt u de volgende drie modules:

  • ‘Klevend netwerk’
  • ‘Onbreekbare bekers’
  • ‘Slurpers’

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: theoretisch kader

Macro-micro denken bij scheikunde is wereldwijd een erg lastig onderdeel voor leerlingen, ze hebben er veel moeite mee. Ook kent de huidige manier van macro-micro denken beperkingen, want een heleboel materialen:

  • zijn niet zuiver
  • bestaan uit verschillende materialen
  • verkrijgen hun eigenschappen door de wijze waarop ze geconstrueerd zijn en niet door hun chemische samenstelling

In het huidige onderwijs ontbreekt vaak de relevantie voor leerlingen om iets te leren. Terwijl het juist belangrijk is dat leerlingen ervaren:

  • waarom het belangrijk is om chemische termen te leren
  • op welke wijze onderzoekers of ontwerpers te werk gaan

Daarom heeft Meijer onderzoek gedaan naar een nieuwe manier van macro-micro denken, en een onderwijsmethode waarmee leerlingen dit kunnen verwerven op een voor hen relevante manier: macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties. Dit onderzoek draagt daarmee bij aan beter onderwijs in macro-(meso-)micro denken.

Scheikundigen maken gebruik van macro-micro denken. Dit geeft de relatie aan tussen submicroscopisch niveau (moleculen, atomen) en macroscopisch niveau (waarneembare fenomenen zoals kleur, geur, gewicht). M.b.v. submicroscopische modellen verklaren zij eigenschappen op macroscopisch niveau. Maar voor leerlingen in het voorgezet onderwijs is macro-micro denken lastig. Dit heeft twee oorzaken:

  • Leerlingen vinden het moeilijk om macroscopische eigenschappen te koppelen aan submicroscopische modellen
  • Leerlingen ervaren de relevantie van submicroscopische modellen niet, om alledaagse fenomenen te kunnen verklaren

Bovendien levert macro-micro denken geen beschrijving voor een groot deel van de materiaaleigenschappen. Eigenschappen van materialen worden vaak veroorzaakt door een structuur op mesoniveau (zit tussen macro- en microniveau in). Daarom introduceert Meijer een nieuwe manier van denken: macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties. Hierbij kijk je naar eigenschappen van materialen en waardoor deze veroorzaakt worden (zie ook figuur):

  • Een systeem (macroniveau) is opgebouwd uit kleinere subsystemen (mesoniveau)
  • Deze kleinere subsystemen zijn weer opgebouwd uit kleinere subsystemen (mesoniveau)
  • Enzovoort, totdat je tenslotte bij moleculen en atomen eindigt (submicroniveau)
  • Binnen de subsystemen (mesoniveau) zitten structuren, welke zorgen voor eigenschappen zoals rek en hardheid. Dit noemen we ‘structuur-eigenschap relaties’

Deze manier van denken wordt ook gebruikt in de materiaalkunde, chemische technologie en voedingsmiddelentechnologie. Macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties zou leerlingen kunnen helpen om de relatie tussen macro- en microniveau relevanter te maken voor hen.

Macro-, meso- en microniveaus met 1 voorbeeld van een structuur-eigenschap relatie

Om lesmateriaal met macro-meso-micro denken relevant te maken voor leerlingen, wordt de concept-contextbenadering toegepast. Leerlingen krijgen een taak die afgeleid is uit de authentieke praktijk: zoals wetenschappers en onderzoekers ook werken. Maar Meijer stelt vooral het need to know en need to act centraal: leerlingen moeten van alles wat zij moeten weten of doen de relevantie inzien. Om dit te bewerkstelligen, zou onderwijs aan de volgende drie vormen van relevantie moeten voldoen:

  • De leerlingen vinden de taak relevant. De taak stelt als het ware de context vast; de situatie waarin de taak ook werkelijk kan plaatsvinden
  • De activiteiten die leerlingen uit moeten voeren, zijn gebaseerd op de context. Het uitvoeren van de activiteiten is daardoor relevant voor de leerlingen. Zowel wat, waarom en hoe ze het gaan doen is duidelijk = need to act
  • De leerlingen zien de relevantie in van het aanleren van de chemische concepten, omdat dit nodig is voor de activiteiten = need to know

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: het onderzoek

Hoofd- en deelvragen
De hoofdvraag van het onderzoek was: “Hoe kan macro-micro denken met structuur-eigenschap relaties en tussenliggende mesoniveaus ingepast worden in het chemieonderwijs (bovenbouw vwo) op een manier die door leerlingen als relevant wordt ervaren?”

De bijbehorende deelvragen waren:

In welke mate leidt het uitwerken van de strategie-componenten (zie onder ‘Resultaten – Ontwerpprincipes’ voor de strategie-componenten) tot:

  1. het ontwikkelen van een context als voorwaarde om het leren van chemische concepten relevant te maken voor leerlingen?
  2. een volgorde van onderwijsleeractiviteiten waarin de leerlingen weten ‘wat ze gaan doen en waarom ze dat doen’ met betrekking tot het leren van macro-micro denken met structuur-eigenschap relaties?
  3. het eigen maken van macro-micro denken met structuur-eigenschap relaties door leerlingen?

Wat is de formulering (strategiecomponenten, beoogde effecten en onderliggende argumenten) van het empirisch onderbouwde:

  1. context-principe?
  2. sequentie-principe?
  3. content-principe?

Onderzoeksmethoden
Het onderzoek bestond uit drie fasen:

1. Conceptuele analyse van macro-meso-micro denken

Meijer interviewde 3 wetenschappers. Hij vroeg hen hoe zij een probleem aanpakken en bracht hun manier van denken in kaart. Hiermee, en op basis van literatuur, ontwikkelde Meijer macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties.

2. Ontwerponderzoek

Op basis van literatuur, de resultaten van fase 1 van zijn onderzoek en eigen ideeën stelde Meijer ontwerpprincipes op. Hij ontwikkelde macro-meso-micro onderwijsmateriaal volgens deze principes, en koppelde daar verwachtingen over gedrag en antwoorden van leerlingen aan: 8 leerlingen uit 5/6 vwo hebben dit materiaal gebruikt. Op basis van de evaluatie van deze eerste test ronde, volgde een tweede (her)ontwerpcyclus waarbij 14 leerlingen het materiaal gebruikten.

3. Reflectie op ontwerponderzoek

Meijer reflecteerde op de gebruikte methode van ontwerponderzoek, de validiteit van de resultaten en op de ontwerpprincipes als kennisclaim van de ontwerponderzoekmethode.

Op basis van de ontwerpprincipes (zie alinea hieronder) heeft Meijer drie modules ontwikkeld:

Het proefschrift van Meijer heeft betrekking op ‘Klevend netwerk’, daarom zal alleen deze module hier besproken worden. De module is gemaakt voor 5/6 vwo leerlingen. In totaal zijn leerlingen ongeveer 20 tot 22 klokuren met de module bezig. De leerlingen die participeerden in het onderzoek, maakten de module dan ook voor hun profielwerkstuk.

De leerlingen krijgen de taak om glutenarm maïsbrood te ontwerpen. Dit is relevant voor mensen met glutenintolerantie. Leerlingen werken in koppels of drietallen aan de opdracht; iedereen heeft zijn/haar eigen deelonderzoek. In ‘vergaderingen’ bespreken ze wat ze gedaan hebben en hoe ze verder gaan. Deze onderwijsvorm gaat dus uit van de inbreng van de leerlingen en wat zij zelf doen, maar ze worden hier wel in gestuurd door extra informatie die zij aangereikt krijgen. Leerlingen krijgen bijvoorbeeld drie informatieve artikelen, waarin de informatie staat die zij nodig hebben. De artikelen zien eruit alsof ze uit een wetenschappelijk tijdschrift komen, dit vanwege de authenticiteit. Ook is de opdracht opgezet alsof de leerlingen in een bedrijf werken.

De leerlingen moeten glutenarm maïsbrood ontwerpen, waarbij ze 3 keer een ontwerpcyclus doorlopen:

  • Bedenken
  • Ontwerp maken
  • Testen

De leerlingen maken dus ook echt zelf brood en deeg, en doen hier allerlei metingen aan. De module bestaat daarom uit veel practica, maar ook uit verslaglegging en vergaderingen.

Onderstaande afbeelding geeft een voorbeeld van macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties in de module.

Meijer wilde relevant onderwijs ontwerpen. Hij definieert drie aspecten van relevantie (zie onder ‘Need to know & act’): relevante context, activiteiten en concepten. Deze aspecten heeft Meijer omgezet in de volgende ontwerpprincipes: context-principe, sequentie-principe en content-principe.

In onderstaande tabel zijn deze principes uitgewerkt. Per principe is aangegeven:

  • welk effect je idealiter zou willen bereiken = beoogd effect
  • wat je kunt doen om dit effect te bereiken = strategie-componenten

De ontwerpprincipes zijn met elkaar verweven:

  • Eerst moet het context-principe toegepast zijn, daarna kun je pas met het sequentie-principe beginnen
  • Het sequentie-principe moet toegepast zijn, voordat je met het content-principe kunt beginnen

Bijvoorbeeld: we geven leerlingen een taak in een authentieke situatie (context-principe), de leerlingen weten wat ze moeten doen en hoe (sequentie-principe) en daarbij komen bepaalde concepten aan de orde (content-principe).

Om het denkproces binnen macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties weer te geven, ontwikkelde Meijer onderstaande figuur:

Deze manier van denken zag Meijer terug bij de leerlingen die aan de slag gingen met de module. Vanaf macroniveau ‘daalden ze steeds verder af’ naar submicroniveau. Daar zagen ze de relevantie van in, want zo konden ze meer te weten komen over bepaalde eigenschappen zoals elasticiteit.

De ontwerpprincipes die Meijer hanteerde bij het ontwikkelen van de module, zijn bruikbaar voor macro-meso-micro denken in deze setting. De module voldeed aan de verwachtingen, totdat de docent van de module afweek door te bepalen wat de leerlingen moesten gaan doen. De leerlingen waren toen niet langer meer eigenaar van hun oplossing voor de gegeven taak. Voor docenten is de module lastig, omdat er gebruik gemaakt wordt van een andere pedagogische setting (met bijvoorbeeld vergaderingen) dan gebruikelijk is in scheikundeonderwijs. In combinatie met een ook voor docenten nieuwe manier van denken, was dit dusdanig moeilijk, dat er vervolgonderzoek kwam waarin een programma ontwikkeld is om docentexpertise te ontwikkelen rondom het macro-meso-micro denken.

Verder probeerde Meijer de opdracht zo authentiek mogelijk te laten lijken, door te doen alsof de leerlingen bij een bedrijf werkten. De leerlingen vonden dit te fictief. Ze wilden liever alleen de taak, zonder dat er gedaan werd alsof ze in een bedrijf werken. Om te testen of de module ook zou werken zonder bedrijfsscenario, zou eigenlijk een derde ontwerpcyclus nodig geweest zijn. Op basis van andere ervaringen kan Meijer wel zeggen dat het werkt, om de leerlingen alleen een taak te geven. Op het technasium op de school waar Meijer werkte geven ze alleen een opdracht. De leerlingen gaan dan net zo hard aan de slag als de leerlingen die een bedrijfsscenario hadden. Maar het is wel belangrijk dat de opdracht die leerlingen krijgen, in het echt zou kunnen gebeuren (voor de relevantie).

Ontwerponderzoek
In zijn proefschrift beschrijft Meijer een manier om ontwerponderzoek te doen waarbij het ontwerp, de systematiek en de evaluatie heel duidelijk beschreven worden. Ontwerponderzoek kan dan voldoen aan alle voorwaarden die aan kwalitatief onderzoek gesteld worden. Bijvoorbeeld: het is valide, het is navolgbaar en de conclusies zijn gebaseerd op empirie. Daarmee heeft Meijer laten zien dat er, naast de 5 huidige manieren om kwalitatief onderzoek te doen, een 6e manier is die ook tot meer kennis leidt: ontwerponderzoek. Ook heeft Meijer duidelijk gemaakt wat een knowledge claim van ontwerponderzoek kan zijn: ontwerpprincipes. De ontwerpprincipes voor macro-meso-micro denken zijn te vinden onder de alinea ‘Resultaten – Ontwerpprincipes’. De meerwaarde van ontwerponderzoek zit volgens Meijer in de empirische onderbouwing: ontwerponderzoek bevat veel empirie die leidt tot meer (empirisch gevalideerde) kennis.

Voor leerlingen in het voorgezet onderwijs is macro-micro denken lastig. Daarom introduceert Meijer een nieuwe manier om macro-micro denken aan te leren: macro-meso-micro denken met structuur-eigenschap relaties. Het onderwijsmateriaal dat hierbij ontwikkeld werd, moest volgens Meijer aan drie vormen van relevantie voldoen: voor leerlingen relevante context, activiteiten en concepten. Deze aspecten heeft Meijer omgezet in de volgende ontwerpprincipes: context-principe, sequentie-principe en content-principe. Bij deze principes heeft Meijer strategie-componenten geformuleerd. Dit vormde de basis voor de module die Meijer ontworpen heeft: het ontwerpen van glutenarm maïsbrood, om leerlingen macro-(meso)-micro denken aan te leren.

De leeropbrengst
De leerlingen verwerven het macro-meso-micro denken (content principe). Om het echt succesvol te kunnen maken, zijn er meer strategiecomponenten nodig. Want leerlingen hebben nog wel moeite met schaling. Ook is in deze module nog geen aandacht besteed aan: hoe kom je eigenlijk van micro- naar macroniveau? De module is alleen gericht op hoe je vanaf macroniveau afdaalt.

De rol van de docent
De leerlingen moeten het gevoel hebben dat wat ze maken en doen van hunzelf is. Zodra de docent bepaalt wat er gaat gebeuren, zijn de leerlingen minder gemotiveerd. Het context en sequentie principe uit de module bleek te werken, totdat de docent ingreep. Voor de docent is het dus belangrijk om de drive die leerlingen hebben niet te verstoren.

Ontwerponderzoek en ontwerpprincipes
Meijer beargumenteert dat ontwerponderzoek de 6e manier van kwalitatief onderzoek kan zijn. Hij ziet ontwerpprincipes als een knowledge claim van ontwerponderzoek. De ontwerpprincipes die Meijer hanteerde bij het ontwikkelen van de ‘Klevend netwerk’ module, zijn bruikbaar voor macro-meso-micro denken in deze setting. Voor het ontwikkelen van twee andere nieuwe scheikunde modules hanteerde Meijer dezelfde ontwerpprincipes en ook daar waren ze bruikbaar. Maar er is verder onderzoek nodig om de ontwerpprincipes te kunnen generaliseren.

Verwijzingen

ELWIeR en Ecent als één STEM