Systeemdenken in Biologie

Systeemdenken helpt leerlingen, biologische kennis te structureren en te integreren. In een later stadium kunnen zij systeemdenken gebruiken om problemen op te lossen.

Systeemdenken verbindt verschillende niveaus van biologische organisatie. Die verbinding berust op de volgende kenmerken:

1. natuurlijke eenheden, zoals het organisme, zijn complex en samengesteld;
2. systemen bestaan uit meerdere onderdelen, in actieve relatie met elkaar;
3. de onderdelen van een systeem functioneren niet buiten de eenheid, zoals cellen in een organisme.

Systeemdenken stelt leerlingen in staat aan te geven wat de verschillende deelsystemen zijn, wat hun functie daar is en waar ze in het grotere systeem gesitueerd zijn. Het fungeert als een middel om biologische kennis te structureren. Later in het proces van leren systeemdenken kunnen leerlingen het systeemmodel gaan gebruiken om nieuwe kennis te begrijpen. Pas dan wordt systeemdenken een doel.

Geschiedenis

De grondlegger van de systeemtheorie, Von Bertalanffy, zegt in zijn theorie dat in ieder biologisch object verschillende organisatieniveaus kunnen worden onderscheiden en dat ieder systeem op hetzelfde moment ook een deel, of deelsysteem, van een hoger systeem is. De deelsystemen hebben zowel interacties tussen de verschillende organisatieniveaus als interacties binnen een organisatieniveau. Ook wijst hij erop dat het belangrijk is in te zien hoe het systeem zichzelf in stand houdt (Von Bertalanffy, 1968)

Decartes vond met zijn reductionistische visie al dat de verschijnselen pas echt begrepen konden worden op het niveau van de microwereld, die werd gevormd door de deeltjes waaruit alle natuurvoorwerpen waren opgebouwd. Tegenwoordig is het nog steeds gebruikelijk in de natuurwetenschap om fenomenen te verklaren vanuit de lagere organisatieniveaus en niet vanuit de hogere. Echter, hoe lager het niveau, hoe moeilijker het wordt voor leerlingen om zich er iets bij voor te stellen. Hierdoor ligt het niet meer in hun belevingswereld. Ook hebben veel onderwerpen uit het biologieonderwijs betrekking op verschillende organisatieniveaus. Als niet duidelijk wordt aangegeven op welk organisatieniveau de stof behandeld wordt kan het voor de leerlingen verwarrend zijn. Het is belangrijk dat de leerlingen onderscheid kunnen maken tussen de verschillende organisatieniveaus. Doordat deze organisatieniveaus aan elkaar gerelateerd worden, kunnen ze gemakkelijker de structuur en de samenhang binnen de biologie leren zien.

Systeemdenken bevordert het leerproces. Het helpt het denken in systemen en wordt ook wel een ‘holistische’ manier van denken genoemd. moet De sleutel tot begrijpen van de levensverschijnselen moet volgens de holistische onderzoekers niet in de analyse van de processen op het laagste, fysiochemische niveau worden gezocht, maar in de besturing van de dynamische, interactieve processen die het organisme tot een doelmatig functionerende eenheid maken.

Systeemdenken en biologie

Veel conceptuele problemen in het biologieonderwijs ontstaan door de fragmentarische benadering van levensverschijnselen en het onvoldoende met elkaar in verband brengen van de structuren en processen op verschillende organisatieniveaus. Deze benadering lijkt zijn oorsprong te vinden in de historische ontwikkeling van de biologie zelf: de opdeling van de biologie in verschillende disciplines en de grote aandacht voor detailkennis binnen iedere discipline. Deze reductionistische onderzoeksbenadering was lange tijd dominant. Het huidige biologieonderwijs in Nederland weerspiegelt deze benadering nog steeds met als gevolg een overladen curriculum, een gebrek aan samenhang en een geringe relevantie voor leerlingen.

In het huidig biologisch onderzoek is er meer aandacht voor de holistische, dynamische en interactieve aard van levende systemen. Ook is er sprake van een steeds sterkere integratie van het onderzoek op verschillende biologische organisatieniveaus. Nieuwe inzichten in moleculaire processen zijn geleidelijk aan verbonden met fysiologische en ecologische processen en andersom ontleent veel onderzoek op het moleculaire niveau haar vragen aan nieuwe inzichten op het organismaal en ecosysteemniveau. Daarnaast speelt biologie een steeds grotere rol in het persoonlijk en maatschappelijk leven. De wetenschappelijke ontwikkelingen in de biologie hebben in beperkte mate geleid tot inhoudelijke bijstellingen van het biologiecurriculum, maar dit heeft niet geresulteerd in een samenhangende en geïntegreerde aanpak van levensverschijnselen in de onderwijspraktijk.

Een belangrijke stroming binnen de biologie is het systeemdenken. Een groot onderdeel van systeemdenken is het onderscheiden en met elkaar in verband brengen van biologische verschijnselen op verschillende organisatieniveaus. Het systeemdenken is eigen aan de biologie. Wanneer je een biologisch object beschouwt als een systeem dat bestaat als een samenhangend geheel, weet je er al een heleboel over, zonder het te kennen. Met systeemdenken kun je meer samenhang in je biologische kennis brengen.

Leerlingen moeten bij het leren systeemdenken uiteindelijk het volgende kunnen:

• het open of gesloten karakter van het systeem, met de systeemgrenzen, herkennen
• de componenten en de processen van het systeem herkennen
• de relaties tussen de componenten herkennen
• het juiste organisatieniveau toeschrijven aan de componenten en processen
• herkennen welke relaties in het systeem dynamisch zijn
• de componenten en processen weer kunnen geven in een bouwwerk (frame) van relaties
• generalisaties maken
• de cyclische aard van relaties naast de lineaire, de vertakt lineaire, en reciproke relaties herkennen (en hun invloed op de aard van oorzaak-gevolg)
• de biologische concepten van een bepaald organisatieniveau kunnen verbinden met de biologische concepten op een lager of hoger organisatieniveau

Systeemdenken kan ervoor zorgen dat leerlingen een beter inzicht krijgen in de natuurverschijnselen, het vergroot de prestaties op hun examens.

Bij het systeemdenken gaat het erom dat leerlingen kennis integreren over structuren en processen op verschillende organisatieniveaus. Bij de volgende concepten speelt het systeemdenken bij uitstek een rol:

• de cel
• evolutie
• gedrag
• metabolisme
• erfelijkheid en genexpressie
• ecosysteem

Enkele voorbeelden van lessenseries van de ontwikkelscholen waarin de jojo-strategie verwerkt is:

• Lovers (gedrag)
• Lorenzo’s oil (cel, erfelijkheid en genexpressie)
• Cystic Fibrosis (erfelijkheid)
• Outbreak (over ziekteverwekkers en afweer)
• Sport (CSG Dingstede) (metabolisme)
• Hersens en Leren (hersenen, leren en gedrag)
• Download: Het bruinen van de huid: Leerlingenmateriaal
• Download: Het bruinen van de huid: Docentenhandleiding

De rol van de docent

Het is belangrijk dat leerlingen onderscheid kunnen maken tussen de verschillende organisatieniveaus. Doordat de organisatieniveaus aan elkaar gerelateerd worden, kunnen de leerlingen makkelijker de structuur en vervolgens de samenhang binnen de biologie zien. Er zijn verschillende oplossingen bruikbaar in de lespraktijk:

• De docent of het lesmateriaal begint bij een hoger organisatieniveau en zakt stap voor stap af naar lagere niveaus. Daarna stijgt hij/zij weer op naar hogere organisatieniveaus: Jo-jo leren. Hierdoor begin en eindig je bij iets waar leerlingen bekend mee zijn en is het beter voor te stellen waar de lagere niveaus zich afspelen. Bovendien kunnen zo de relaties tussen de organisatieniveaus duidelijk worden aangegeven. ECENT-artikel: (Knippels, 2002)
• De betreffende organisatieniveaus moeten duidelijk onderscheiden worden. Het is duidelijker als de verschijnselen met het juiste organisatieniveau worden verbonden. Er moet dus duidelijk aangegeven worden op welk organisatieniveau het verschijnsel zich voordoet.
• Het systeemdenken expliciet introduceren zodat leerlingen er van bewust worden gemaakt m.b.v. een systeemmodel. ECENT-artikel: (Verhoeff 2003).

De rol van de docenten opleider

Door gebruik van het syteemdenken zouden leerlingen een nieuw biologisch probleem moeten kunnen begrijpen, omdat er een begrip is ontstaan van de werking van systemen in het algemeen. Systeemdenken is belangrijk omdat de kwaliteit van de cognitieve structuur niet alleen bepaald wordt door de hoeveelheid kennis die men bezit, maar vooral door de wijze waarop kennis geordend wordt. Geordende cognitieve structuren vormen een basis voor betekenisvol leren. De structuur in de kennis die men opneemt moet zo in elkaar zitten dat nieuwe kennis hierin ingepast kan worden zonder dat de structuur volledig moet worden omgevormd. Systeemdenken is een wijze van ordenen van objecten en helpt bij het leren eigen maken van nieuwe kennis (Boersma, 1997).

Achtergrond artikelen

• Download: Boersma, K.Th. (2004). Didactiek van systeemdenken in de biologie. Symposium Biologische Raad: Amsterdam (2004, September 30). (UU)
• Download: Boersma, K.Th. (2004). Samenhangend biologieonderwijs van 4 tot 18. ORD: Utrecht (2004, June 9 – 2004, June 11). (UU)
• Download: Boersma, K.Th. and Waarlo, A.J. (2003). Systems thinking as a metacognitive tool for students, teachers and curiculum developers. Paper ESERA 2003.
• Download: Boersma, K.Th. (1997) Systeemdenken en zelfsturing in het biologie-onderwijs. Oratie Universiteit Utrecht.
• Download: Jorna, H. (2009) Macro-Meso-Micro of Macro-Micro-Nano. NVOX 34(3) 113-115
• ECENT-artikel: Knippels, M.C. P.J. (2002). Coping with the abstract and complex nature of genetics in biology education, The jo-jo learning and teaching strategy. Utecht: CD-beta Press.
• ECENT-artikel: Westra, R. (2008) Learning and teaching ecosystem behaviour in secondary education. Utecht: CD-beta Press.
• Von Bertalanffy, l. (1968). General System Theory; foundation, development, applications. New York: G. Braziller.

Bronnen

• ECENT-artikel: Verhoeff, R.P. (2003). Towards system thinking in cell biology education. Utrecht: CD-beta Press.
• Van der Rijst, E.L. (2002). Bruinen van de huid in een systeemtheoretisch perspectief. Een onderwijsleerstrategie. Masters study, Universiteit Utrecht, Departement of Biological Education.