Een lerarenopleider kan dit artikel als achtergrond gebruiken bij het definiëren van de verschillende onderzoek-stappen bij practica binnen de eigen opleiding. Een lerarenopleider kan het ook inzetten als achtergrondmateriaal voor lio’s, zodat zij de verschillende stappen leren herkennen en toepassen bij het voorbereiden en uitvoeren van een practicum.

De opdrachten onderaan het artikel zijn gericht op het herkennen van de verschillende fasen van de natuurwetenschappelijke methode in bestaande biologiepractica en mogelijke consequenties voor de werkwijze van leerlingen. Immers, niet alle stappen komen altijd terug in bestaande practica en een docent kan overwegen om deze stappen wel op te nemen of juist bewust weg te laten. Eveneens wordt er in de tekst verwezen naar een artikel wat gebruikt kan worden bij de beoordeling van de verschillende stappen.

Bij het doen van onderzoek worden methodes of principes toegepast waarbij vaardigheden gebruikt worden voor het maken, testen en herzien van theorieën. Ook het reflecteren op het proces van kennisvergaring en de reflectie op kennisverandering behoort tot wetenschappelijk denken (Dunbar & Fugelsang, 2005; Kuhn, 2010).
Het gebruik van de natuurwetenschappelijke methode biedt leraren de mogelijkheid om wetenschappelijk denken bij leerlingen te trainen. Het biedt een gestructureerd stappenplan waarin leerlingen gefaseerd kunnen oefenen met verschillende vaardigheden (zie artikel Van een gesloten naar een open practicum voor meer informatie). Hierbij kan, en wellicht moet er, aandacht besteed worden aan de realiteit van het wetenschappelijk onderzoek die kan afwijken van deze gestructureerde en lineaire procedure zoals hieronder staat beschreven (Van Eijck, 2009). Deze keuze is aan de docent en kan afhangen van het schooltype, leerjaar of het moment in de leerlijn e.d.

Stappen in natuurwetenschappelijk onderzoek
Bij het doen van natuurwetenschappelijk onderzoek worden altijd een aantal vaste stappen onderscheiden (Falk, Keuchenius & Saaltink, 1974; Herr, 2008):

• Observaties
• Onderzoeksvraag opstellen
• Hypothese
• Op basis van hypothese voorspellingen doen
• Waarnemingen doen of experiment ontwerpen
• Resultaten interpreteren
• Conclusies trekken

Onderzoeksvaardigheden
Bij het doen van onderzoek zijn vaardigheden nodig. Valk & Soest (2004) specificeren de onderzoeksvaardigheden in twee onderdelen:

1. Algemene vaardigheden, waaronder: a) Opzetten van het onderzoek b) Formuleren van de onderzoeksvraag c) Maken van het onderzoeksverslag
2. Vak- of domein gebonden vaardigheden, waaronder: a) Uitvoeren van proef b) Waarnemingen doen c) Interpreteren d) Grafiek maken

Waarden en attituden
Daarnaast zijn ook een aantal waarden en attituden te formuleren die nodig zijn bij het doen van onderzoek (van der Rijst, n.d.):

1. Kritisch willen zijn ten opzichte van eigen en andermans ideeën
2. Willen begrijpen, echt willen doorgronden hoe iets werkt en in elkaar steekt
3. Willen bereiken, gedreven en enthousiast zijn
4. Willen delen, een open mind voor andermans ideeën en graag zelf vertellen
5. Willen weten, nieuwsgierig zijn naar wat er al bekend is

Maar hoe doen docenten dit? Hoe leert een docent leerlingen ‘de wetenschappelijke methode’ aan met het bijbehorende wetenschappelijk denken?

Falk, Keuchenius en Saaltink (1974) stellen dat het aanleren van de natuurwetenschappelijke methode stapsgewijs moet plaatsvinden. Hierbij kan in het begin gekozen worden voor een gesloten werkwijze waarbij een enkel onderdeel van de methode door de leerlingen wordt ingevuld. Naarmate er meer ervaring door de leerling is opgedaan, kunnen meer onderdelen worden ingevuld en is er sprake van meer vrijheidsgraden (Falk, Keuchenius & Saaltink, 1974; Foeken, 2009). In het artikel Van een gesloten naar een open practicum wordt het open en gesloten practicum meer uiteengezet.

Begrip van bewijs
Onder ‘De natuurwetenschappelijke methode’ zijn de fasen van de natuurwetenschappelijke methode en het denken aangegeven. Om de verschillende fasen te kunnen doorlopen, moet een leerling verschillende vaardigheden bezitten en weten waar het onderzoek aan moet voldoen. Schalk (2006) formuleert ‘begrip van bewijs’ voor de verschillende onderzoeksfasen. Hiermee wordt een overzichtelijke lijst van criteria gegeven waarmee de kwaliteit van het onderzoek kan worden beoordeeld. Van der Jagt (2012) heeft per onderzoeksfase een rubric opgesteld waarmee een leerling uit de bovenbouw zelf kan bekijken of de uitwerking voldoet aan vooraf gestelde eisen. Het document is opgesteld voor de bovenbouw van het VWO, maar kan mogelijk als een leidraad dienen voor de onderbouw. In de bijbehorende lesmodules wordt ook stilgestaan bij de betrouwbaarheid, validiteit en nauwkeurigheid van het onderzoek door leerlingen.

Preconcepties
Als uitgangspunt van het doen van onderzoek kun je uitgaan van de ervaringen en kennis die leerlingen bezitten. Leerlingen komen de klas binnen met eigen percepties van de wereld. Deze preconcepties zijn gebaseerd op de ervaringen die leerlingen opdoen t.a.v. natuurlijke fenomenen zoals het verkleuren van bladeren in de herfst. Deze ideeën kunnen als uitgangspunt dienen voor het doen van onderzoek (Donovan & Bransford, 2005). Leerlingen worden geboeid door problemen die niet overeen komen met de perceptie die zij zelf hebben (Falk, Keuchenius & Saaltink, 1974). Naast preconcepties over inhoudelijke thema’s, komen leerlingen ook de klas binnen met beelden over wetenschappelijk onderzoek (Donovan & Bransford, 2005).

In de examenprogramma’s van het VMBO, HAVO en VWO is onderzoek doen één van de doelstellingen. Voor het VMBO is het volgende geformuleerd:

“Eenvoudige opdrachten en eenvoudig onderzoek waarin de actieve en praktische zelfwerkzaamheid op de voorgrond staat, voorbereiden, uitvoeren en de resultaten vastleggen en evalueren:

• bij een biologisch schoolpracticum en/of veldpracticum
• een biologische probleemstelling herkennen en specificeren
• een biologisch probleem herleiden tot een onderzoeksvraag
• verwachtingen formuleren
• relevante waarnemingen verrichten en gegevens verzamelen
• conclusies trekken op grond van verzamelde gegevens
• oplossing, onderzoek en conclusies evalueren”

(CEVO, 2010, pagina 7)

Wetenschappelijke denkvaardigheden zoals in voorgaande paragrafen besproken, zijn niet alleen relevant voor vakken als biologie, scheikunde en natuurkunde. De gebruikte (denk)vaardigheden zijn ook toepasbaar bij andere vakken en in het dagelijks leven (Kuhn, 2010). Hierbij zijn ook de genoemde waarden en attituden van belang (van der Rijst, n.d.).

Om als leraar de natuurwetenschappelijke methode te kunnen uitleggen aan leerlingen, moet de toekomstige docent eerst zelf de methode begrijpen. De eerstejaars studenten aan de lerarenopleiding komen ook binnen met hun eigen preconcepties ten aanzien van natuurlijke fenomenen en de wijze waarop je natuurwetenschappelijk onderzoek doet.

Onderstaande opdrachten zijn ontwikkeld voor de eerstejaars studenten aan de lerarenopleiding biologie tweedegraads. De doelen van deze opdrachten zijn:

• De student kan de verschillende stappen van de natuurwetenschappelijke methode herkennen in een biologiepracticum
• De student kan de verschillende stappen van de natuurwetenschappelijke methode herkennen in een wetenschappelijk artikel of artikel uit een wetenschapsbijlage
• De student kan ontbrekende stappen van de natuurwetenschappelijke methode herkennen en aanvullen in een biologiepracticum

Opdracht 1: Onderzoek in de biologiemethode
In de verschillende biologiemethoden vind je verschillende practica. Deze practica zijn vaak al voor een groot deel uitgeschreven. In deze opdracht kies je een uitgebreide practicumopdracht uit een biologiemethode. Je gaat bepalen of je de verschillende stappen van de natuurwetenschappelijke methode (NWM) terugvindt in de opdracht.

Stap 1. Kies een practicumopdracht uit een biologiemethode.
Stap 2. Geef aan: het niveau, de klas en welke methode je hebt gekozen.
Stap 3. Kopieer de methode (of scan in).
Stap 4. Geef met verschillende kleuren de stappen van de NWM weer in de practicumopdracht. Gebruik hierbij een legenda voor de volgende onderdelen:

• Observaties
• Onderzoeksvraag opstellen
• Hypothese
• Op basis van hypothese voorspellingen doen
• Waarnemingen doen of experiment ontwerpen
• Resultaten interpreteren
• Conclusies trekken

Stap 5. Beantwoord de volgende vragen:

• Komen alle onderdelen van de NWM terug in de practicumopdracht? Welke wel en welke niet?
• Formuleer de missende onderdelen m.u.v. resultaten, conclusie en discussie
• Beargumenteer waarom bepaalde onderdelen wel of niet terugkomen
• Beargumenteer of je de opdracht uitbreidt met eventueel toegevoegde stappen van de NWM

Eindproduct:

• Origineel practicum
• Stappen NWM aangeven met verschillende kleuren én legenda in practicum
• Antwoorden vragen stap 5

Opdracht 2: Onderzoek & wetenschap
De natuurwetenschappelijke methode (NWM) is leidraad waarmee je in het voortgezet onderwijs onderzoek doet. Ook in de wetenschap kom je de verschillende fasen van de NWM tegen. Wetenschappers doen onderzoek en publiceren de resultaten in een wetenschappelijk tijdschrift.

Stap 1. Lees een wetenschappelijk artikel of een uitgebreid artikel uit de wetenschapsbijlage van bijvoorbeeld de Volkskrant of NRC Handelsblad.
Stap 2. Noteer de:

• Probleemstelling
• Hypothese
• Voorspelling
• Opzet experiment
• Interpretatie resultaten

Eindproduct:

• De uitwerking van stap 2
• Wanneer het artikel niet door de docent wordt aangeleverd, neem dan ook het artikel op