Matters of Attention: Gaining insight in student learning in the complexity of design-based chemistry education

Matters of Attention: Gaining insight in student learning in the complexity of design-based chemistry education Proefschrift december 2021 Hanna Stammes

Samenvatting

Ontwerpen heeft de afgelopen jaren een prominentere plek gekregen in de curricula van bètavakken in verschillende landen. Leerlingen laten ontwerpen heeft immers grote potentie voor het bevorderen van leren in bètaonderwijs. In het daadwerkelijke succes van dit type onderwijs blijken docenten een sleutelrol te hebben. Veel van de docentpraktijken die worden aanbevolen voor succesvol ontwerpgericht bètaonderwijs hangen af van de aandacht die docenten hebben voor wat en hoe leerlingen leren terwijl ze ontwerpen. Inzicht krijgen in het leren van leerlingen betekent dat docenten de mogelijkheid hebben om hun acties af te stemmen op de leerbehoeftes van leerlingen en zo hun leren te bevorderen. Hoewel eerder onderzoek heeft laten zien dat de aandacht van docenten voor het leren van leerlingen verschilt tussen soorten bètaonderwijs, zijn typeringen van die aandacht in ontwerpgerichte bètacontexten in het voortgezet onderwijs schaars. Aandacht besteden aan leren tijdens ontwerpgericht onderwijs lijkt echter zowel bijzonder belangrijk als complex te zijn vanwege de veelzijdigheid en openheid van ontwerpopdrachten. Het vernieuwende karakter van ontwerpgericht bètaonderwijs draagt verder bij aan deze complexiteit, ook als het gaat om ontwerpgericht scheikundeonderwijs. In eerder onderzoek is het schoolvak scheikunde echter zelden voor het voetlicht gebracht. Dit terwijl ontwerpen wel een centrale rol heeft in zowel de discipline scheikunde als in scheikundecurricula.

Om bij te dragen aan de kennis over docentaandacht in bètacontexten en aan initiatieven ter bevordering van de expertise van docenten op het gebied van ontwerpgericht scheikundeonderwijs, had deze thesis tot doel om te onderzoeken wat voor inzichten in leren scheikundedocenten kunnen opdoen in de complexiteit van ontwerpgericht scheikundeonderwijs en hoe ze dergelijke inzichten kunnen opdoen. Hiertoe bestudeerden we kwalitatief verschillende kwesties rond docentaandacht en werkten we nauw samen met een leergemeenschap van geïnteresseerde, Nederlandse scheikundedocenten.

Als eerste bestudeerden we de didactische ideeën van scheikundedocenten over ontwerpgericht scheikundeonderwijs (Hoofdstuk 2). De ideeën van docenten over onderwijzen en leren beïnvloeden hun aandacht voor het leren van leerlingen en hun implementatie van curriculumvernieuwingen. We voerden de studie uit in de context van een nieuw-opgezette professionele leergemeenschap waartoe zes scheikundedocenten behoorden. We ontlokten de didactische ideeën van deze docenten door semigestructureerde interviews af te nemen en door docenten te vragen logboeken bij te houden gedurende de uitvoering van een ontwerpgericht scheikundeproject. Data-analyse liet zien dat de docenten leren ontwerpen (in scheikunde) niet zagen als een belangrijk doel van scheikundeonderwijs. Ze waardeerden ontwerpen meer als een manier om leerlingen scheikundeconcepten te laten toepassen, ‘zachte vaardigheden’ te laten ontwikkelen (bijv. zelfstandig werken, creativiteit) en onderzoeksvaardigheden te laten toepassen of ontwikkelen. De studie onthulde dat scheikundedocenten ontwerpen kunnen zien als een potentieel rijke en kansrijke leeromgeving voor leerlingen. Maar, daar waar ontwerpen weleens is beschreven als een ‘natuurlijke fit’ voor bètaonderwijs, suggereerden onze resultaten dat het scheikunde-specifieke karakter van ontwerpen niet noodzakelijkerwijs evident is voor scheikundedocenten. De studie toonde daarnaast aan dat scheikundedocenten verschillende didactische ideeën over ontwerpgericht bètaonderwijs kunnen hebben.

In de tweede studie werd docentaandacht zelf het onderwerp van onderzoek (Hoofdstuk 3). Vanwege het scala aan mogelijkheden voor leren in ontwerpgericht scheikundeonderwijs wilden we het multidimensionale karakter van docentaandacht in deze context in kaart brengen (d.w.z. de verscheidene onderwerpen die de aandacht van een docent vangen). Om deze aandacht te kunnen bestuderen gebruikten we het perspectief van ‘formatieve evaluatie’ en betrokken we een ervaren scheikundedocent uit de leergemeenschap in wekelijkse reflectiegesprekken terwijl ze een ontwerpgericht scheikundeproject uitvoerde. Resultaten toonden aan dat aandacht besteden aan leren in een ontwerpcontext zowel kan betekenen dat een docent let op disciplinaire aspecten van leren (bijv. het scheikundig denken en de ontwerppraktijken van leerlingen) als op meer algemeen-relevante aspecten van leren (bijv. sociale interacties, eigenaarschap en emoties). Analyses op een gedetailleerder niveau onthulden daarnaast veranderingen in docentaandacht door de tijd heen (bijv. aandacht die binnen een aspect van leren meer gefocust werd). Deze observaties suggereren ook dat de voor de reflectiegesprekken gebruikte ‘midstream modulation’ aanpak kansen biedt voor het ondersteunen van de ontwikkeling van docentexpertise.

De aandacht van docenten voor het leren van hun leerlingen te midden van ontwerpgerichte lesactiviteiten werd ook bestudeerd in deze thesis (Hoofdstuk 4). Voor deze studie namen we een opmerkzaamheidsperspectief aan (‘teacher noticing’) en zoomden we specifiek in op het opmerken van scheikundig denken door docenten terwijl leerlingen ontwerpideeën bedachten en tekenden. Om toegang te krijgen tot de opmerkzaamheid van twee scheikundedocenten verzamelden we data in de klas en namen we retrospectieve interviews af. We gebruikten het ‘scheikundig-denken-raamwerk’ voor de data-analyse. Resultaten toonden aan dat de ene docent tijdens gesprekjes met ontwerpteams meer momenten van opmerkzaamheid kan hebben en tevens leerlingdenken rond een grotere variëteit aan scheikundige concepten kan opmerken dan een andere docent. Dit beïnvloedt de mogelijkheden die docenten hebben om leerlingen te helpen in het toepassen en ontwikkelen van scheikundig denken tijdens ontwerpactiviteiten. We ontdekten in deze studie ook dat wat leerlingen zeiden voor docenten het meest onthulde over hun scheikundig denken en observeerden dat de docent met de breedste opmerkzaamheid ook andere informatiebronnen gebruikte (waaronder de geannoteerde ontwerptekeningen van leerlingen, hun prototypes en gebaren). Het versmelten van informatie uit meerdere bronnen stelt docenten mogelijk beter in staat om denken van leerlingen nauwkeurig af te leiden.

In de laatste empirische studie zijn de mogelijkheden van het gebruik van ontwerpauthentieke informatiebronnen voor de karakterisering van begrip over scheikundige concepten nader bestudeerd (Hoofdstuk 5). Grondige analyses van leerlinginformatie door onderzoekers kan ideeën opleveren voor manieren waarop docenten aandacht zouden kunnen besteden aan het leren van leerlingen. We verzamelden data voor deze studie terwijl leerlingen ontwerpideeën bedachten en tekenden en analyseerden wat leerlingen zeiden binnen hun ontwerpteams, wat ze zeiden wanneer de docent deelnam aan de conversatie als ook hun geannoteerde ontwerptekeningen. We ontdekten dat toepassing van het ‘scheikundig-denkenraamwerk’ de karakterisering van vijfentwintig aannames over de aard van scheikundige entiteiten en processen mogelijk maakte. Deze aannames stuurden (impliciet) het denken van leerlingen tijdens het ontwerpen. De aannames hadden betrekking op meerdere scheikundige concepten (waaronder chemische identiteit, controle en ‘kosten-baten-risico’s’) en niveaus van complexiteit (meer alledaagse of wetenschappelijke ideeën). Een vergelijking van de drie databronnen onderstreepte daarnaast het belang van het consulteren en combineren van meerdere ontwerpauthentieke informatiebronnen om inzicht te krijgen in het conceptuele begrip van leerlingen in een ontwerpcontext.

Gezamenlijk bieden de vier studies een uniek inkijkje in wat voor inzicht in het leren van leerlingen docenten kunnen opdoen in ontwerpgerichte scheikundecontexten en hoe. Het onderzoek toont aan dat een scheikundedocent in een ontwerpcontext inzicht zou kunnen krijgen in meerdere aspecten van leren (zoals scheikundig denken, ontwerppraktijken, sociale interacties en emoties). De studies laten ook zien dat de onderwerpen die de aandacht van een docent trekken door de tijd heen kunnen veranderen en dat opgedane inzichten kunnen verschillen tussen docenten. Deze variëteit creëert verschillende mogelijkheden voor docenten om het leren van leerlingen in een ontwerpgerichte les te ondersteunen. Het onderzoek suggereert verder dat zowel situaties in de klas als reflectieve situaties buiten de klas kansen bieden voor docenten om inzicht te krijgen in het leren van leerlingen in een ontwerpcontext. Om inzicht te krijgen in het scheikundig denken van leerlingen in een ontwerpcontext onthullen de studies daarnaast het belang van gebruiken wat leerlingen zeggen in combinatie met andere informatiebronnen (zoals geannoteerde ontwerptekeningen) en het belang van letten op alledaagse en impliciete scheikundige ideeën van leerlingen. Daarnaast lijkt het toepassen van meerdere perspectieven op docentaandacht in plaats van een enkel perspectief een effectieve strategie om onze kennis over aandacht voor leren in bètaonderwijs te vergroten. Hoewel het kwalitatieve en kleinschalige karakter van dit onderzoek succesvol bleek te zijn om aandacht voor leren in de context van ontwerpgericht scheikundeonderwijs te verkennen, is vervolgonderzoek wenselijk. Vervolgstudies zouden de multidimensionale aandacht en het informatiegebruik van meer scheikundedocenten in kaart kunnen brengen als ook docentaandacht in andere ontwerpcontexten. Bovendien, wat kan worden gekarakteriseerd als productieve aandacht is nog steeds onderwerp van debat in de onderwijsliteratuur. Om tot definities van productieve aandacht in ontwerpgerichte scheikundecontexten te komen dient de aandacht van docenten voor leren te worden verbonden met leeropbrengsten bij leerlingen. Verder onderzoek naar de relatie tussen aandacht en andere elementen van docentexpertise (waaronder kennis en lespraktijk) en naar de ontwikkeling van docentexpertise is daarnaast nodig om de ontwikkeling van de expertise van (beginnende) docenten in ontwerpgericht scheikundeonderwijs beter te kunnen faciliteren.

Dit onderzoek levert aanbevelingen op voor docenten en lerarenopleiders. Het zet de schijnwerper op het belang van inzicht krijgen in het leren van leerlingen en beschrijft tevens wat voor aspecten van leren geobserveerd zouden kunnen worden in ontwerpgericht scheikundeonderwijs. Een raamwerk dat mogelijke onderwerpen van aandacht ontrafelt wordt gepresenteerd (zie Hoofdstuk 6). Dit raamwerk zou als tool kunnen dienen om leren in een ontwerpcontext te interpreteren en gesprekken over productieve aandacht te faciliteren. Dit onderzoek benadrukt verder dat het ontlokken van scheikundig denken middels meerdere, ontwerp-authentieke informatiebronnen docenten inzicht zou kunnen bieden in leren. Voor de interpretatie van dergelijke informatie lijkt het in ontwerpcontexten waardevol te zijn om een ‘inferential stance’ in te nemen (d.w.z. zoekend naar de logica in het denken van leerlingen i.p.v. denken afzetten tegen een scheikundecanon). Lerarenopleiders zouden de (verschillende) motivaties van docenten om ontwerpen hun scheikundeonderwijs te integreren kunnen aanwenden ten behoeve van professionaliseringsactiviteiten. Daarbij lijkt het belangrijk dat ontwerpen niet enkel vanuit een generiek natuurwetenschappelijk of technisch perspectief bekeken wordt, maar ook vanuit een scheikundig perspectief. Ter ondersteuning van de ontwikkeling van aandacht voor leren wijst dit onderzoek op de mogelijkheid om docenten te betrekken in reflectieve gesprekken rondom bronnen van informatie over het leren van leerlingen. Gezien de centrale rol die aandacht voor leren speelt in docentexpertise, zouden zulke activiteiten ook kunnen helpen bij het ontwikkelen van de kennis en praktijken van docenten rond ontwerpgericht scheikundeonderwijs.