Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Probleemstellend onderwijs over een eerste deeltjesmodel

Hoe onderwijs je leerlingen een eerste deeltjesmodel zodat ze het als zinvol leren ervaren? En hoe laat je ze nadenken over het modelkarakter van de natuurwetenschappen? Een voorbeeld van lessen gebaseerd op een activerende, probleemstellende didactiek, die grondig geëvalueerd zijn.

Macroscopische verschijnselen verklaren met een deeltjesmodel

Veel leerlingen blijken na onderwijs over moleculen of atomen allerlei macroscopische eigenschappen aan deze deeltjes toe te kennen. De moleculen kunnen uitzetten, smelten, verbranden, en ze kunnen zacht zijn, of vloeibaar, gekleurd, levend, etc. Hoewel de deeltjes moleculen genoemd worden, zijn het dus eigenlijk macroscopische brokjes stof. Is het ook mogelijk om leerlingen een beter begrip van de bouw van materie te laten krijgen? Kunnen leerlingen de waarde gaan zien van een model waarin de deeltjes andere eigenschappen hebben dan de macroscopische hoeveelheid stof?

Hieronder staan enkele onderdelen uit een lessenserie die met het oog daarop is ontworpen. De lessenserie bouwt voort op didactische ideeën die zijn onderzocht door Kees Klaassen (probleemstellend onderwijs over radioactiviteit) en hanteert dezelfde uitgangspunten over het omgaan met denkbeelden van leerlingen en over het uitlijnen van het onderwijsleerproces. Centraal staat het aanleren van de relatie tussen macroscopische grootheden (bijvoorbeeld druk of temperatuur) en bijbehorende grootheden in het deeltjesmodel. Hierbij bedenken leerlingen hoe macroscopische verschijnselen door het bewegen van de deeltjes begrepen kunnen worden. Tegelijk wordt geprobeerd om leerlingen meer begrip te laten ontwikkelen voor het modelkarakter. Hiermee krijgt de aard van natuurwetenschappen een nadrukkelijke plaats in het ontwerp.

Wat kan een docent er aan hebben?

Beschreven wordt een onderwijsaanpak voor het leren en onderwijzen van een eerste deeltjesmodel die ontworpen is met aandacht voor het modelkarakter van de natuurwetenschappen, en die gebruik maakt van een activerende didactiek. In een ontwikkelingsonderzoek is onderzoek gedaan naar de effectiviteit van die aanpak. Het proefschrift daarover zet denkbeelden van leerlingen over deeltjes (moleculen) op een rij die uit de literatuur naar voren komen, evenals denkbeelden over de aard van natuurwetenschappen, in het bijzonder van modellen. Het beschrijft een voorbeeldlessenserie die aansluit bij die denkbeelden, en die leerlingen via activerende didactiek helpt, een beter begrip van deeltjesmodellen te verwerven. Hieronder, bij “inhoud en opbrengst: over deeltjes en modellen”, staan diverse concrete voorbeelden van in de lessenserie gebruikte werkbladen. De lessenserie als geheel vormt bovendien een voorbeeld van hoe een probleemstellende benadering in de praktijk vormgegeven kan worden.

Wat is er belangrijk voor een opleider?

In het onderwijs in de bétavakken komt steeds meer nadruk te liggen op modelleren. Tegelijk wordt in diverse natuurkundeboeken de structuur van materie niet als een model maar als feitenkennis gepresenteerd. Het resultaat van eeuwen werken met deeltjesmodellen wordt vaak op zichzelf aangeboden, zonder tussenstadia en zonder de vragen waarop het een antwoord vormt. Delen van de ontworpen lessenserie kunnen voor docenten in opleiding als voorbeeld dienen om te laten zien hoe je leerlingen kunt betrekken in de ontwikkeling van een deeltjesmodel en hoe je leerlingen kunt laten reflecteren op de waarde van dat model.

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: over deeltjes en modellen

Via de volgende links zijn delen van het proefschrift samengevat.

Leerlingen vatten deeltjes eerder op als het resultaat van een proces van deling van de macroscopische hoeveelheid stof dan als bouwstenen met wezenlijk andere eigenschappen dan die macroscopische stof. De manier waarop kennis over moleculen in schoolboeken wordt geintroduceerd draagt bij aan die opvatting. Uit de onderzoeksliteratuur in de jaren ?70 tot ?90 komt dan ook naar voren dat veel leerlingen na onderwijs over moleculen of atomen aan deze deeltjes allerlei macroscopische eigenschappen toekennen. De moleculen kunnen volgens hen uitzetten, smelten, verbranden, en ze kunnen zacht zijn, of vloeibaar, gekleurd, levend, etc. Waargenomen veranderingen op macroscopisch niveau worden gekoppeld aan een vergelijkbare verandering van de deeltjes.

In de literatuur worden dit misconcepten of preconcepten genoemd, maar eigenlijk is er niets mis met deze denkwijze! De leerlingen hebben het immers over macroscopische brokjes stof hebben. In de literatuur wordt ook gerapporteerd dat geleerde kennis over moleculen van een vaste stof, vloeistof en gas vergeten of door elkaar gehaald wordt. En regelmatig worden geleerde aannames van het model op een onbedoelde manier geïnterpreteerd: leerlingen denken dan dat de ruimte tussen de moleculen gevuld is met lucht of dat de moleculen stoppen met bewegen als de stof stolt. Al deze resultaten duiden er op dat het aangeleerde model niet past bij de macroscopische brokjes stof die leerlingen in gedachten hebben. Het gevolg is dat leerlingen het model uit hun hoofd proberen te leren, en dan verkeerd reproduceren, of het model zo aanpassen dat het iets beter overeenstemt met het gedrag van zeer kleine macroscopische deeltjes.

Voorafgaand aan natuurkundeonderwijs hebben leerlingen waarschijnlijk slechts een vaag beeld over de aard van natuurwetenschappen en een stereotype beeld van de wetenschapper. De rol van modellen in de natuurwetenschappen kan dan ook nog niet begrepen worden. Ze kennen modellen alleen uit het dagelijks leven als voorbeelden of eenvoudige kopieën van iets in hun omgeving. Tijdens natuurkundelessen maken leerlingen kennis met experimenten. Deze leiden vaak ogenschijnlijk eenduidig tot nieuwe theorie of worden als eenduidig bewijs van aangeleerde theorie gepresenteerd. Zo wordt ook een deeltjesmodel vaak geïntroduceerd als feitenkennis of een vereenvoudigde kopie van de werkelijkheid. Onderzoekers melden dan ook dat uitspraken van leerlingen vrijwel nooit te karakteriseren zijn als model-based reasoning (Driver ea. 1996) of level 3 understanding (waarin een model wordt geconstrueerd om ideeën te ontwikkelen en testen) (Grosslight ea. 1991).

Vereiste voorkennis
Voorafgaand aan de lessenserie moeten de leerlingen al uitgebreid kennis gemaakt hebben met het gedrag van materie op macroscopisch niveau. In het bijzonder moeten ze kennisgemaakt hebben met de gaswetten, warmtetransport en faseveranderingen.

Gerichtheid op beter begrijpen
De docent wil graag dat leerlingen de bekende regelmatigheden in het gedrag van gassen beter begrijpen. Daarin ligt het inhoudelijk motief voor de introductie van het model. Er wordt niet verwacht dat leerlingen zelf een behoefte hebben aan een verklaring voor het bekende gedrag, maar wel dat ze begrijpen dat je daar naar op zoek kunt gaan. Er is gekozen voor een inperking tot het gedrag van gassen, omdat het bij een kinetisch gasmodel zinvol is dat de deeltjes andere eigenschappen hebben dan de macroscopische hoeveelheid stof.

De introductie van het model
Het model is een verzameling bewegende en botsende bolletjes en wordt geïntroduceerd via een applet (ECENT artikel over applets). Het wordt gebracht als een analogie. Dat betekent dat er niet meteen vanuit wordt gegaan dat een gas uit dergelijke deeltjes bestaat, maar dat het gedrag van gassen vergeleken kan worden met het gedrag van deze verzameling bolletjes. Hiermee wordt vanaf het begin het hypothetische karakter van het model benadrukt.

Modelleren 
De leerlingen passen het model eerst toe op enkele verschijnselen die eenvoudig met het model verklaard kunnen worden. Hierbij worden voor de hand liggende koppelingen gemaakt tussen macroscopische grootheden (druk, hoeveelheid gas, volume van het gas) en corresponderende grootheden in het model. De leerlingen worden actief betrokken in de ontwikkeling van het model door hen nieuwe aannames te laten bedenken en/of testen. Dit steeds vanuit een vraag die op dat moment begrijpelijk is. Soms heeft zo?n vraag betrekking op het gedrag van een macroscopische hoeveelheid stof (eerst gassen, later ook vloeistoffen en vaste stoffen) en andere keren op het gedrag van de bolletjes zelf.

De aard van deeltjesmodellen
Via samenvattingen van hun eigen verklaringen krijgen leerlingen een raamwerk van deeltjesverklaringen aangeboden en worden ze aangemoedigd om te reflecteren op de onveranderlijkheid van de deeltjes. Op deze manier wordt geprobeerd hen te laten begrijpen wat het geven van een deeltjesverklaring inhoudt en hoe deze deeltjes verschillen van macroscopische deeltjes. Door nadrukkelijk aandacht te besteden aan de waarde van het ontwikkelde model, wordt ook geprobeerd de vraag op te roepen of stoffen echt uit bewegende deeltjes bestaan. Nadat de leerlingen met succes het model hebben gebruikt om een onbekend verschijnsel (Brownse beweging) te voorspellen, reflecteren ze op de invloed die dit heeft op hun vertrouwen in het bestaan van de deeltjes.

In onderstaande link staat een tabel. Deze geeft de grote lijn in de lessenserie aan. In de linkerkolom wordt ontwikkeling van kennis over moleculen geschetst en in de rechterkolom de ontwikkeling van kennis over de aard van modellen. Cursief worden de achtereenvolgende fasen in het onderwijsleerproces beknopt omschreven.

Waardering door de leerlingen (affectief)
De leerlingen die deze lessenserie hebben doorlopen vonden dat ze meer betrokken werden bij de ontwikkeling van het model dan in lessen van een ander vak (scheikunde). Ze waardeerden die betrokkenheid (discussie, zelf nadenken, vragen formuleren) positief. Wel vonden veel leerlingen de klassendiscussies soms te lang duren. Ook waren veel leerlingen negatief over de momenten waarop ze niet verder mochten werken in de richting die zij persoonlijk het best vonden of na moesten denken over een hypothese die ze zelf direct verwierpen (bijv. warmere bolletjes).?

Kennis van de leerlingen (cognitief)
De leerlingen waren aan het begin van de lessenserie niet sterk genoeg gericht op het vinden van verklaringen met behulp van een deeltjesmodel. Hun aandacht zou vanaf het begin meer gericht moeten worden op de structuur van materie en in het bijzonder op het geven van verklaringen in termen van het gedrag van onderdelen, dat verschilt van het gedrag van het systeem als geheel. De uiteindelijk door de leerlingen ontwikkelde modellen kwamen grotendeels, maar niet helemaal overeen met de verwachtingen. In vergelijking met traditionele benaderingen leken de deeltjes waarover deze leerlingen spraken minder op macroscopische deeltjes. De relatie tussen snelheid en temperatuur werd nog niet helemaal begrepen zoals bedoeld. De aanname over lege ruimte tussen de deeltjes werd wel geaccepteerd, maar het idee van perfect elastische botsingen bleek conceptuele problemen op te leveren. Het bleek goed mogelijk om met de leerlingen te reflecteren op het bestaan van de deeltjes. Reflectie op de vorm van deeltjesverklaringen in het algemeen bleek veel moeilijker. In vergelijking met traditionele benaderingen hebben deze leerlingen meer geleerd over de aard van het model, hoewel nog niet over de aard van modellen, of natuurwetenschappen, in het algemeen. Hun uitspraken kunnen min of meer geclassificeerd worden als model-based reasoning en vertonen zowel kenmerken van level 2 als van level 3 understanding ten aanzien van modellen.

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: over probleemstellend onderwijs

Hieronder volgen kenmerken en moeilijkheden van probleemstellend onderwijs en aanwijzingen voor de docent die eens wil proberen om op een iets meer probleemstellende wijze les te geven.

De kern van probleemstellend onderwijs is dat leerlingen op inhoudelijke gronden de zin zien van wat ze aan het doen zijn. Als hieraan is voldaan, mag je verwachten dat nieuwe kennis niet geforceerd aan leerlingen wordt opgedrongen, maar dat zij deze zullen accepteren op gronden die zij zelf begrijpen.

Wanneer leerlingen steeds de zin zien van wat ze aan het doen zijn, kunnen zij min of meer de reden / opzet van elke activiteit begrijpen en bepalen waarom het zinvol is om deel te nemen aan die activiteit. Hiermee wordt geprobeerd de actieve betrokkenheid van leerlingen te vergroten en de kwaliteit van hun begrip te verbeteren.

In dit onderwijs wordt geprobeerd met opzet bepaalde problemen bij leerlingen op te roepen. Deze problemen gaan dan fungeren als doelen voor vervolgactiviteiten. Juist door het zoeken naar oplossingen voor zulke specifieke problemen kunnen leerlingen goede redenen ontwikkelen om hun kennis uit te breiden in de gewenste richting. In het ideale geval worden deze problemen niet door de docent aangedragen. In plaats daarvan worden de activiteiten zo ontworpen dat leerlingen de problemen / vragen zelf gaan stellen en zelf belangrijk gaan vinden. Er wordt niet verwacht dat elke leerling elke oplossing helemaal zelf bedenkt of dat elke leerling elk gepland probleem zelf formuleert. Wel wordt gestreefd naar een situatie waarin elk probleem minstens door enkele leerlingen wordt geformuleerd en waarin alle leerlingen het voldoende belangrijk vinden om dit probleem op te lossen.

Verder dienen de docent en het lesmateriaal de leerlingen natuurlijk te ondersteunen bij het vinden van oplossingen. Dit betekent niet dat nieuwe theorie steeds helemaal door leerlingen bedacht moet worden, maar dat theorie die wordt aangedragen voor leerlingen een antwoord vormt op een door hen gestelde vraag.

Een duidelijk nadeel van dit soort onderwijs is dat het lesmateriaal vrij hoge eisen stelt aan de docent. Deze eisen hebben betrekking op de verschillen met gangbaar onderwijs.

Terughoudendheid in uitleg 
Naarmate je als docent meer gewend bent om eerst nieuwe theorie uit te leggen alvorens leerlingen zelf naar problemen te laten kijken, is het moeilijker om deze gewoonte los te laten. Het geven van uitleg is op korte termijn ook vaak aantrekkelijk, vanwege de waarderende reactie van leerlingen. Op iets langere termijn blijkt echter dat leerlingen zich, naarmate er meer wordt uitgelegd, passiever opstellen.

Omgaan met onverwachte reacties
Regelmatig dragen leerlingen, tijdens de inventarisatie van de gedeeltelijke oplossingen van een probleem, allerlei verschillende theorieën aan die je als docent niet verwacht. Het is moeilijk om hier goed mee om te gaan. De kunst is om fysisch incorrecte aspecten van deze inbreng niet direct te diskwalificeren. Dit vergt soms nogal wat improvisatietalent.

Vormgeven van reflectie 
Het vormgeven van reflectie-onderdelen is niet eenvoudig. Het is bijvoorbeeld moeilijk om te zorgen dat een terugblik meer is dan alleen een samenvatting van de geleerde theorie. Ook wil je als docent voorkomen dat leerlingen, die minder actief waren in de les, tijdens de reflectie voor dit gedrag beloond worden met de resultaten van de andere leerlingen.

Tijdbewaking
In de praktijk blijkt het nogal eens lastig om vast te houden aan de tijdsplanning. Zowel de activiteiten van de leerlingen als de klassikale reflectiemomenten kosten regelmatig meer tijd dan we van te voren ingeschat hadden.
Daarnaast vraagt een echt probleemstellende aanpak voor een hele lessenserie veel voorbereiding. De aan te bieden activiteiten moeten goed doordacht zijn. Vaak blijkt zo?n lessenserie sterk af te wijken van de gangbare aanpak in de huidige leerboeken.

Het is ook mogelijk om op een meer probleemstellende manier met bestaande leerboeken te werken. Vraag jezelf eens af, wanneer je een les voorbereidt of een stukje studiewijzer schrijft, waarom leerlingen, vanuit hen zelf geredeneerd, die bepaalde activiteit zouden willen doen. Of: waarom zou een bepaalde verklaring voor leerlingen eigenlijk plausibel zijn. Dan is het bij de voorbereiding wellicht al mogelijk om iets te bedenken dat een activiteit, of een weg naar een verklaring, voor leerlingen zinvoller kan maken. Bij diverse hoofdstukken of paragrafen uit een boek moet het mogelijk zijn om je meer in leerlingen te verplaatsen:

  • Bereidt een bepaalde vraag hen voor op een volgende activiteit?
  • Kan het hen uit het voorgaande duidelijk zijn waarom die vraag of opdracht gesteld wordt?
  • Welke vragen zouden ze hier zelf bij stellen?

Een antwoord op deze vragen kan al snel leiden tot een kleine, of iets grotere aanpassing in de volgorde van de leerstof opbouw, waardoor er voor leerlingen meer lijn en samenhang ontstaat. Alleen al door geregeld bij deze zaken stil te staan ben je dus op weg naar het zinvoller maken van je lessen voor meer leerlingen. Voor het werk dat dit met zich meebrengt krijg je, wanneer het lukt, als docent een beloning in de vorm van leerlingen die meer betrokken zijn bij het onderwerp en daar zelfstandiger over nadenken.

Van bovenstaande vragen zou je als docentenopleider een aardige opdracht voor studenten kunnen maken.

Artikelen over dit onderzoek

Belangrijke andere artikelen over dit onderwerp

  • Grosslight L., Unger C., Jay E. en Smith CL (1991). Begrijpen van modellen en hun gebruik in de wetenschap: Concepten van middelbare leeftijd en middelbare schoolstudenten en experts. Journal of Research in Science Teaching, 28, 799-822
  • De Vos W. en Verdonk AH (1996). De deeltjesvormige aard van materie in wetenschapsonderwijs en in de wetenschap. Journal of Research in Science Teaching, 33, 657-664
  • Van Driel JH en Verloop N. (1999). Leraren? kennis van modellen en modellering in de wetenschap. Internationaal Journal of Science Education, 21, 1141-1153
  • Website: De Vos en van der Valk (2000). Naar een gevalideerd modelbegrip. Tijdschrift voor Didactiek der beta-wetenschappen, 17, 112-123
ELWIeR en Ecent heten u welkom op deze nieuwe gezamenlijke website