Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Cel als systeem

Samenhang in het leren en onderwijzen van celbiologie kan vergroot worden door leerlingen te leren systeemdenken. Een belangrijk element van het systeemdenken is het onderscheiden en in verband brengen van de verschillende organisatieniveaus. In dit artikel wordt het (promotie)onderzoek dat hiernaar gedaan is beschreven. De hiervoor ontwikkelde lesmaterialen zijn toegankelijk.

Bij het onderwerp celbiologie worden leerlingen geconfronteerd met een groot aantal nieuwe structuren en processen. Veel leerlingen lukt het niet om op basis van het geleerde een samenhangend beeld op te bouwen van de cel als basiseenheid van het organisme. Dit heeft tot gevolg dat er begripsproblemen ontstaan tijdens latere thema´s die een zekere celbiologische basis vereisen.

In de internationale literatuur worden begripsproblemen in de biologie gerelateerd aan een gebrekkige samenhang in de kennis van leerlingen. Dit komt mede doordat levensverschijnselen vaak fragmentarisch aan bod komen en er onvoldoende aandacht is voor de verbanden tussen de structuren en processen op verschillende organisatieniveaus. Bij de behandeling van een thema blijft de relatie tussen de gebruikte begrippen en organisatieniveaus vaak impliciet. Daardoor wordt de biologie als schoolvak onnodig complex en ingewikkeld voor leerlingen.

Wat kan een docent er aan hebben?

De didactische aanpak van de cel als systeem laat zien op welke wijze bij leerlingen het systeemdenken op een voor hen navolgbare manier kan worden geïntroduceerd. Het beschrijft een opeenvolging van inhoudelijke problemen en concrete activiteiten waarbij leerlingen de verschillende organisatieniveaus doorlopen.

Leerlingen leren:

  • moleculair, cellulair en organismaal niveau te onderscheiden;
  • biologische begrippen te verbinden met de specifieke organisatieniveaus;
  • heen-en-weer denken tussen algemene systeemmodellen en meer concrete representaties van verschijnselen.

Leerlingen maken achtereenvolgens:

  • een 2-dimensionale tekening van een eencellige;
  • een algemeen 2-dimensionaal model van de cel;
  • een groot 3-dimensionaal schaalmodel van een plantencel;
  • een hiërarchisch systeemmodel van het borstvoedingsproces.

Wat heeft een lerarenopleider eraan?

  • Het onderzoek beschrijft een ontwikkelingsonderzoek naar het leren en onderwijzen van celbiologie vanuit systeemtheoretisch perspectief.
  • De onderwijsleerstrategie gaat uit van een probleemstellende aanpak, en hiervan dus een goed praktijkvoorbeeld.
  • In het proefschrift worden drie systeemtheoretische benaderingen samengevat.

Voor meer over systeemdenken, zie het ECENT-artikel: Systeemdenken.

Een onderwijsleerstrategie: de cel als systeem

Het resultaat van het promotieonderzoek is een ontwikkelde onderwijsleerstrategie die adequaat bleek voor het ontwikkelen van samenhangende celbiologische kennis en een basiscompetentie systeemdenken. Hierbij is gebruikgemaakt van een probleemstellende benadering in combinatie met modelleeractiviteiten voor leerlingen.

De probleemstellende benadering is gekozen omdat deze er op is gericht leerlingen actief te betrekken in de sociale interacties binnen een geschikte onderwijspraktijk, waarbij het ontwikkelen van nieuwe concepten centraal staat.

De onderwijsleerstrategie bestaat uit een sequentie van inhoudelijke vragen en een daarmee samenhangende sequentie van onderwijsleeractiviteiten met de beoogde uitkomsten. De strategie omhelst in totaal vijf fasen:

  1. globale oriëntatie op celbiologie,
  2. verkenning van de levensfuncties en introductie van de cel als organisme, dmv de ontwikkeling van een model van vrij levende cellen,
  3. explicitering van systeemdenken waarbij het ontwikkelde model op organismaal niveau wordt geïntroduceerd,
  4. verkenning van de cel (als functionele eenheid) en de organellen met behulp van het systeemmodel (door het bouwen van een driedimensionaal model van een plantaardige cel en het toepassen van het model),
  5. het verbinden van de cel met bovenliggende organisatieniveaus.

In deze fasering zijn de opeenvolging van stappen van de competentie systeemdenken te herkennen (zie artikel systeemdenken)

Bij nadere beschouwing kan binnen de bovengenoemde fasen eveneens een probleemstellende structuur worden herkend. In plaats van over ‘fasen’ kan er dus beter over probleemstellende ‘cycli’ worden gesproken. Voor de leerlingen wordt de overgang tussen de opeenvolgende cycli gemarkeerd door een volgende leeractiviteit waarin een nieuwe deelvraag centraal staat. In iedere cyclus kunnen de volgende stappen worden herkend:

  • Formulering van een deelvraag
  • Kennisuitbreiding middels onderzoek en/of aanreiken van informatie en het creëren van ene behoefte tot reflectie
  • Reflectie op de opgedane kennis in het licht van de centrale sturende vraag en het creëren van een behoefte tot kennisuitbreiding in een specifieke richting

De ontwikkelde strategie betrekt studenten actief in een modelleerproces waarbij achtereenvolgens vorming, revisie en uitbreiding van een celmodel centraal staan. Het modelleren vindt plaats in vier van de zes probleemstellende cycli. In de tweede cyclus ontwikkelen leerlingen, op basis van hun eigen representaties van cellen, een model van vrij levende cellen die vervolgens wordt toegepast op dierlijke en plantaardige cellen in cyclus 3. In een reflectie hierop wordt het model aangepast, zodat het een betere afspiegeling is van zowel vrij levende cellen als van cellen in een meercellig organisme. De ontwikkeling van het celmodel wordt gecompleteerd in cyclus 4 waarin leerlingen een driedimensionaal model bouwen met als doel de consolidatie van de geleerde celbiologische kennis en uitbreiding van het ruimtelijke inzicht in de cellulaire organisatie. De laatste stap van het modelleerproces wordt uitgevoerd in cyclus 5 en 6; In de vijfde cyclus verkennen leerlingen het verteringsproces door structuren en processen te modelleren op het organismaal, orgaan en cellulair niveau middels interactief lesmateriaal. Door de structuren en processen op ieder niveau te abstraheren, ontdekken leerlingen dat ieder niveau gerepresenteerd kan worden door eenzelfde systeemmodel. Hierbij wordt het tweedimensionale celmodel uitgebreid door het in te bedden in het algemene hiërarchische systeemmodel. Tenslotte passen leerlingen dit model van geneste, open systemen in de zesde cyclus toe op het onderwerp borstvoeding. De modelleeractiviteiten kunnen als volgt worden gekarakteriseerd:

  1. Het modelleren van concrete cellen tot een algemeen 2-D portret van de cel
  2. Het bouwen van groot 3-D model van de cel
  3. Het modelleren van visuele representaties van het organismaal, orgaan en cellulair niveau tot een algemeen hiërarchisch systeemmodel

Bij elkaar vormen de drie modelleerfasen een sequentie van onderwijsleeractiviteiten startend bij de voorkennis en idiosyncratische representaties van leerlingen en eindigend bij het beoogde hiërarchische systeemmodel.

Belangrijke literatuur over dit onderwerp

Toepassing van systeemdenken op gebied van kankergenomics

Download: Verhoeff R.P. et al (2009) Genomics in school. EMBO reports VOL 10(2), 120-124

In het bovenstaande engelstalige artikel wordt het volgende beschreven:

  • de fragmentatie van celbiologische begrippen wordt helder aangetoond
  • geconstateerd wordt dat VO-onderwijs in de celbiologie logischerwijs achterloopt bij de genomicsontwikkelingen
  • het toevoegen van actuele ontwikkelingen in het biologie onderwijs het gevaar in zich heeft dat het lesprogramma te overladen wordt
  • beschreven wordt hoe systeemdenken de nieuwe ontwikkeling in kankergenomics kan introduceren, waarbij tegelijkertijd het probleem van de fragmentatie van celbiologische begrippen wordt opgelost.

Meer artikelen:

ELWIeR en Ecent heten u welkom op deze nieuwe gezamenlijke website