Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Dynamiek en complexiteit van ecosystemen 1

Leerlingen ondervinden problemen in het begrijpen van de complexiteit en dynamiek van ecosystemen. Dat blijkt uit internationaal onderzoek, ook in Nederland bevestigd. Die situatie is ongewenst omdat in tal van maatschappelijke discussies kennis van ecosystemen een rol speelt.
Dit artikel beschrijft een aanpak van problemen bij het leren en onderwijzen van dynamiek en complexiteit van ecosystemen in de tweede fase van het vo. Het artikel bevat ook links waarmee u lesmateriaal en onderzoeksrapportages kunt downloaden.

‘Ecologische geletterdheid’ in het onderwijs

Terwijl in Nederland heden ten dage op hoog niveau onderzoek wordt gedaan aan dynamiek en complexiteit van ecosystemen, is dergelijke kennis in het voortgezet onderwijs blijven steken bij die van circa 1960. Dat blijkt uit een analyse van de inhoud van centrale examens, leerboeken en lessen. Ook bleek dat docenten een andere (verouderde) visie hebben op ecosystemen dan ecologen die in het onderzoek werken. Deze ‘ecologische ongeletterdheid’ op het gebied van dynamiek en complexiteit in het onderwijs is opmerkelijk, omdat in de maatschappij steeds vaker beslissingen worden genomen waarbij zulke kennis van ecosystemen essentieel is. Denk hierbij aan het bepalen van vangstquota in de visserij, beslissingen over natuurbehoud of natuurontwikkeling en het al of niet toestaan van drukjacht op wilde zwijnen op de Veluwe.

René Westra heeft onderzocht hoe het leren en onderwijzen van de complexiteit en dynamiek van ecosystemen in de bovenbouw van het voortgezet onderwijs verbeterd zou kunnen worden. Daarbij is lesmateriaal ontwikkeld, en van het onderzoek is in een proefschrift verslag gedaan. Aan het eind van dit artikel vindt u links waarmee u het lesmateriaal, enkele onderzoeksverslagen en het proefschrift als geheel kunt downloaden.

Een onderzoek naar verbeteringen in het ecologie-onderwijs

Ecologie staat internationaal bekend als een moeilijk onderwerp in het biologieonderwijs, voor zowel leerlingen als docenten. Het centrale probleem is het overzien van ingewikkelde relaties in tijd en ruimte. Voedselwebben bijvoorbeeld laten een tweedimensionale relationele afbeelding zien, die het lastig maakt de niet-lineaire verbanden te volgen. En het is onmogelijk om dat in kwantitatief opzicht en in de tijd te doen. Bovendien is het leerlingen niet altijd duidelijk wat de betekenis is van hun inspanning op dit terrein, als zo’n voedselweb los van zijn context wordt aangeboden. Er is daarom een aanpak ontwikkeld en beproefd ter verlichting van deze moeilijkheden: een modelleerstrategie, waarbij concepten als ecosysteem, dynamiek en complexiteit worden aangeboden in drie verschillende contexten. Die contexten zijn gekozen in realistische situaties, die in de didactiek ook wel aangeduid worden met de term ‘authentieke handelingspraktijken’.

Centraal in de aanpak van het onderzoek naar een beter soort ecologie-onderwijs staan

  • het expliciet onderscheiden van de biologische organisatieniveaus,
  • het ontdekken van samenhang tussen fenomenen op die verschillende niveaus en
  • het modelleren van die fenomenen met behulp van een grafisch computermodelleerprogramma.

Leerlingen leren heen-en-weer te denken (te jojoën) tussen verschillende organisatieniveaus (ecosysteem, populatie en organisme) en de vaardigheid ontwikkelen om relaties tussen verschillende biotische en abiotische factoren op die niveaus in computertaal weer te geven.

Ecosystemen zijn complex van aard: ecologische relaties doen zich op verschillende biologische organisatieniveaus voor, die van het organisme, de populatie en het ecosysteem zelf . Voor een goed begrip moet een leerling de processen op die niveaus met elkaar kunnen verbinden. Het stap voor stap opklimmen naar de hogere organisatieniveaus, het consequente gebruik van ecologische termen die bij een bepaald niveau horen en het weer afdalen naar de lagere niveaus zijn dan ook belangrijk. De complexe aard van een ecosysteem kan goed geïllustreerd worden aan de hand van het voorbeeld van een voedselweb (figuur 1).

 Figuur 1. Een voedselweb

Leerlingen ondervinden bijvoorbeeld problemen bij de vraag wat het gevolg is voor de wormen als de vossen in dit ecosysteem worden afgeschoten. Zij lopen vast in de effecten op verderaf gelegen schakels in het web, temeer daar zij geen kwantitatief idee hebben van de relaties. Het lezen en interpreteren van een dergelijk schema vraagt van leerlingen ook dat zij een overstap maken van het organisme naar de populatie. Terwijl het concrete opeten een individuele relatie tussen bij voorbeeld een konijn en een vos inhoudt, gaat het in het web om de relatie tussen de populaties van vossen en konijnen.

Een ecosysteem laat dynamiek zien, op de verschillende biologische organisatieniveaus doen zich veranderingen in tijd en ruimte voor. Voor een goed begrip van die dynamiek moet een leerling de processen op die niveaus met elkaar kunnen verbinden en de bovengenoemde complexiteit doorgronden. Aangezien dynamiek onder andere te maken heeft met kwantitatieve veranderingen, die lastig zijn te berekenen, is het gebruik van computermodellen aan te bevelen. Een voedselweb als in figuur 1 kan in een computermodel zodanig worden beschreven dat kwantitatieve gegevens worden opgenomen, zoals de grootte van de verschillende populaties of de hoeveelheid konijnen die een individuele vos eet. Zo’n model heeft echter weer zijn eigen problematiek. Het kwantitatief weergeven van relaties vereist behalve inzicht in de wiskundige formulering ook vaardigheid in het gebruik van de syntax van het gekozen modelleerprogramma. Zowel voor de docenten als voor de leerlingen zijn dit veeleisende vaardigheden.

De leerlingen hebben voor het onderzoek gewerkt met een grafischemodelleeromgeving. In een grafische omgeving begin je niet met programmeren maar met het schetsen van een relatiediagram (zie figuur 2).

 Figuur 2. De bovenste figuur toont een schets van een computermodel in Powersim, waarmee de groei van het drooggewicht van een mossel onder invloed van verschillende factoren kan worden berekend. Een grafiek van drooggewicht tegen de tijd (onderste figuur) ontstaat als er getallen worden ingevuld.

De grasiche weergave op het scherm toont een overzicht van de belangrijke factoren en de relaties tussen die factoren. Het zo ontstane ‘model’ is gemakkelijk bespreekbaar en uitwisselbaar. Pas als de globale structuur voldoet, worden waarden en formules ingevuld. De benodigde wiskunde is daardoor eenvoudiger te hanteren en staat minder op de voorgrond. Leerlingen kunnen met zo’n programma in een korte cyclus een model maken, evalueren en bijstellen. Bekende voorbeelden van grafische modelleerprogramma’s zijn de modelomgeving van Coach6 , Dinasys, Powersim en Stella. Powersim Constructor Lite werd gekozen omdat daarbij de bediening en de schermopmaak eenvoudig en overzichtelijk zijn: het gemaakte model en de bijbehorende modelresultaten zijn in een oogopslag te overzien. Bovendien kunnen in plaats van formules ingevoerd ook grafieken getekend worden om de relatie tussen twee modelvariabelen te specificeren. Tenslotte was een praktische overweging dat het programma voor schoolgebruik gratis beschikbaar is.

Wat kan een docent aan dit onderzoek hebben?

Het onderzoek zet de belangrijkste problemen op een rij die leerlingen ervaren bij het leren van de dynamiek en complexiteit in ecosystemen (zie hoofdstuk 5 van het proefschrift). Ook wordt de actuele stand van zaken rond het onderwijzen van ecologie in het voortgezet onderwijs beschreven, en wordt een vergelijking gemaakt tussen de visie op ecosystemen en wat daarin belangrijk is voor ecologen en docenten (hoofdstuk 5). De ontwikkeling van het denken over dynamiek en complexiteit in de ecologie als wetenschap, met een indeling in verschillende visies daarop en de voornaamste kenmerken van de verschillende organisatieniveaus (hoofdstuk 4) geeft de mogelijkheid om kennis up-to-date te krijgen. Inzicht in de problemen van leerlingen bij het verwerven van inzicht in dynamiek en complexiteit van ecosystemen (hoofdstuk 8 en 9) geeft de docent de mogelijkheid te anticiperen op die problemen bij het introduceren van deze concepten in de les. Daarnaast wordt een didactiek geschetst die deze problemen kan helpen verminderen. Bij “Lesmateriaal” is het in de lessen gebruikte werkboek te vinden, naast alle in de lessenserie ontwikkelde Powersimmodellen en animaties.

Voor het onderzoek zijn in lesmateriaal voorbeelden uitgewerkt vanuit een drietal authentieke praktijken: een aanleercontext over het optimaliseren van mosselkweek in de Oosterschelde, een oefencontext over het beheren van de konijnenpopulatie in het Noordhollands duinreservaat en een toetscontext over het aanpakken van een probleem van overpopulatie van olifanten in Zuidelijk Afrika. Deze voorbeelden en hun evaluatie kunnen docenten helpen om leerlingen meer inzicht in complexiteit en dynamiek van ecosystemen te geven. Deze aanpak is hier uitgewerkt voor de ecologie, maar kunnen ook voor andere concepten in de biologie worden toegepast. Het is een nieuwe/andere manier van kijken naar het leren en onderwijzen van de biologie in het voortgezet onderwijs, aansluitend bij het CVBO-experiment waarbij gestreefd wordt naar een samenhangend, betekenisvol en niet overladen biologieprogramma. De relaties tussen de biologische organisatieniveaus moeten de leerlingen zelf ontdekken. Zij worden daarin begeleid door de leeractiviteiten (in een probleemstellende aanpak). Delen van de ontworpen lessenserie kunnen docenten bij wijze van voorbeeld laten zien hoe je leerlingen kunt helpen een betekenisvoller inzicht in de ecologie te verwerven.

Wat is belangrijk voor opleiders en docenten in opleiding?

Docenten in opleiding kunnen hun eigen begrip van ecosystemen, en de complexiteit en dynamiek ervan toetsen met behulp van de ontwikkelde lessenseries en de onderzoeksgegevens over de reacties van leerlingen erop. En zij leren een benadering van biologie-onderwijs kennen waarin het onderscheid tussen organisatieniveaus en het heen-en-weerk denken daartussen een centrale rol speelt. Daarnaast blijkt het gebruik van computermodellen en de daarmee gepaard gaande problemen ook zeer leerzaam voor de DIO’s zelf.

Lesmateriaal

Verwante artikelen en proefschrift

Gerelateerde artikelen

ELWIeR en Ecent als één STEM