In figuur 1 staat de gebruikelijke opbouw van het onderwerp ‘radioactiviteit’ schetsmatig weergegeven.

Figuur 1: De gebruikelijke opbouw van het onderwerp ‘radioactiviteit’

Het onderwerp wordt op zo’n manier ingeleid dat het voor veel leerlingen gaat leven en dat ze ook echt zin hebben om ermee te beginnen. Dit is voor ‘radioactiviteit’ ook niet zo moeilijk. Er kan simpelweg aangegeven worden dat veiligheidsmaatregelen en toepassingen in de gezondheidszorg aan de orde zullen komen. Zo’n inleiding wordt gevolgd door een behandeling van atoombouw, min of meer als volgt. Stoffen bestaan uit moleculen, moleculen bestaan uit atomen, een atoom bestaat uit… Vervolgens worden isotopen behandeld, waarna aan de orde komt dat sommige isotopen instabiel zijn en veranderen door straling uit te zenden. Tenslotte komen de toepassingen en beschermingsmaatregelen aan de orde.

De gedachte achter deze opbouw is duidelijk. Om toepassingen en beschermingsmaatregelen beter te gaan begrijpen, moeten leerlingen eerst weten wat radioactiviteit eigenlijk is. Wat is een radioactieve stof, wat is straling, hoe ontstaat straling, …? En om te begrijpen wat radioactiviteit is, moeten ze eerst wat weten over isotopen, heliumkernen, elektronen,… En daarvoor is het nodig eerst iets aan atoombouw te doen.

De opbouw schiet echter tekort als het erom gaat dat leerlingen (en in het bijzonder vmbo-leerlingen) steeds op inhoudelijke gronden weten wat ze aan het doen zijn. Voordat de leerlingen immers toe zijn aan wat hen in de inleiding beloofd is, moeten ze eerst een les of zes bezig zijn met een behoorlijke brok tamelijk abstracte leerstof. Bovendien zijn ze niet of nauwelijks vertrouwd met microscopische modellen, en ligt het voor hen helemaal niet voor de hand om te gaan beginnen met atoombouw. Na drie lessen bezig te zijn geweest met atoombouw werden enkele assertieve leerlingen in een door Klaassen geobserveerde vmbo-3 klas nogal opstandig. Ze begonnen te vragen waarom ze daar nou eigenlijk mee bezig waren en wanneer ze het eindelijk eens over straling gingen hebben. De leraar kon toen niet beter dan als volgt reageren.

1. Docent: Dit onderwerp, dat heb ik in het begin ook verteld…
2. Sabine: Ja.
3. Docent: …het is voor jezelf zo belangrijk dat je er een aantal dingen van weet. En dan kan ik wel dat jullie aanpraten van… nou ja, het is belangrijk. Natuurlijk moet je het op een gegeven moment zelf vinden, dat het belangrijk is. En we hebben nog lang niet alles gedaan. Want we zijn nu met droge theorie bezig over atomen enzovoort. En nu gaan we eigenlijk pas beginnen met die straling. Dus, Sabine, misschien als je nou gewoon een paar lessen probeert mee te doen…
4. Sabine: [zuchtend] Ja.
5. Docent: …ondanks die tegenzin die je dan hebt, kom je er toch achter dat je zegt van… verrek, ja, ik heb er wat aan.
6. Corinne: Als je het begin niet begrijpt, dan begrijp je alles niet. Dan heb je er geen flikker aan.
7. Docent: Bij een hele hoop dingen is het toch zo dat je eerst de boel [een heleboel?] gedaan moet hebben om er echt een oordeel over te geven. Het is net als het… voor mij dan, als het leren van een aantal spelregels die heel vervelend zijn, terwijl als je ze kent en het spel gaat spelen, het misschien hartstikke leuk is.

Het probleem was echter niet uitsluitend dat leerlingen het droog en vervelend vonden. Ze zagen ook geen inhoudelijke connectie tussen die zogenaamde spelregels en het spel dat ze zouden gaan spelen. En dan weegt de ervaren saaiheid extra zwaar door.

Het is ook helemaal niet nodig om eerst op fundamenteel niveau te weten wat radioactiviteit is, voordat je beschermingsmaatregelen en toepassingen kunt begrijpen. Stel dat je wilt weten of een bestraald voorwerp stralingsgevaar oplevert voor zijn omgeving. Dan is de simpele empirische constatering dat een voorwerp door bestraling niet radioactief wordt het meest relevant. Veel relevanter, in elk geval, dan een verhandeling over de processen die zich afspelen bij de absorptie van heliumkernen, elektronen of elektromagnetische straling.

De pijlen in figuur 1 kunnen dus niet opgevat worden als te staan voor inhoudelijke redenen of motieven van leerlingen om van het een naar het ander te gaan. Vaak zal het voor leerlingen zelfs retrospectief niet mogelijk zijn aan te geven waarom voor wat zojuist gedaan is hetgeen dat daaraan vooraf ging nou nodig was. Een uitzondering geldt wellicht voor de overgang van ‘atoombouw’ naar ‘wat is radioactiviteit?’. Bij de uitleg van wat een stof tot een radioactieve stof maakt en wat straling is komen termen terug die bij de bespreking van atoombouw geïntroduceerd zijn.

Figuur 2: De gebruikelijke opbouw heeft een zwakke inhoudelijke coherentie

Dit maakt duidelijk dat voor leerlingen de inhoudelijke coherentie van de gebruikelijke opbouw zwak is. Op een ‘retrospectiepijl’ na tussen ‘atoombouw’ en ‘wat is radioactiviteit?’, zijn het eigenlijk losse brokken. De retrospectiepijl in figuur 2 is bovendien gestippeld weergegeven om aan te geven dat er zelfs retrospectief nog gaten zijn. Er wordt bij ‘wat is radioactiviteit?’ bijvoorbeeld verteld dat sommige instabiele kernen vervallen door elektronen uit te zenden (β-straling). Maar bij ‘atoombouw’ is verteld dat zich in een kern protonen en neutronen bevinden, dus geen elektronen.

Klaassen geeft aan dat in de onderzoeksliteratuur denkbeelden over radioactiviteit vaak als incoherent en inconsistent worden geïnterpreteerd. Zo zouden leerlingen geen onderscheid maken tussen straling, radioactiviteit en radioactieve stoffen, of tussen bestraling en besmetting, of tussen activiteit en dosis. Het probleem met deze interpretaties, aldus Klaassen, is dat ervan uitgegaan wordt dat leerlingen de genoemde termen gebruiken als een natuurkundige. Onder die aanname is het inderdaad zo dat leerlingen de genoemde termen incoherent of inconsistent gebruiken. Maar is dat wel een goede aanname?
Klaassen probeert uitspraken van leerlingen op een meer welwillende manier te interpreteren. Dan blijkt dat die uitspraken voor een belangrijk deel begrepen kunnen worden in temen van basale noties over veroorzaking. In essentie: een veroorzaker heeft een effect op een voorwerp met behulp van een instrument.
In dit geval fungeren als potentiële veroorzakers zulke dingen als: röntgenapparaten, kerncentrales, vaten radioactief afval, Tsjernobyl, bestraald voedsel, … Ze kunnen effecten op mensen hebben, omdat ze er op een of andere manier de oorzaak van zijn dat er iets schadelijks in die mensen terecht is gekomen. Leerlingen noemen dat schadelijke iets vooral ‘straling’, maar ook wel ‘radioactiviteit’, ‘het radioactief’, ‘radioactief stofje’ of simpelweg ‘het’. Dit schadelijke iets dat in een voorwerp doordringt fungeert in dit geval als het instrument waarmee een veroorzaker uiteindelijk effect op het voorwerp heeft. Hieronder wordt het kortheidshalve ‘radioactiviteit’ genoemd.
Het ongeluk in Tsjernobyl is een veroorzaker omdat er grote hoeveelheden radioactiviteit vrijgekomen zijn. Bestraald voedsel bevat radioactiviteit en is aldus een potentiële veroorzaker. Door bestraald voedsel te eten krijgen wij ook radioactiviteit binnen. Er zijn effecten zolang radioactiviteit in het voorwerp aanwezig is.
De effecten kunnen worden gereduceerd door een weerstand die radioactiviteit tegenwerkt. Leerlingen suggereren twee mechanismen van tegenwerking. Een weerstand zou kunnen voorkomen dat radioactiviteit het voorwerp binnendringt, zoals loden muren en speciale pakken doen. Een weerstand zou radioactiviteit ook tegen kunnen werken wanneer het al binnengedrongen is. Sommige leerlingen opperen dat jodium zoiets wellicht doet, om te verklaren dat na het ongeluk in Tsjernobyl jodiumtabletten verstrekt werden.
Bij deze basale noties over veroorzaking spelen ook allerhande semi-kwantitatieve relaties. Hoe sterker de veroorzaker, hoe groter het effect op het voorwerp. Hoe langer de veroorzaker werkt op het voorwerp, hoe groter het effect. Hoe dichter het voorwerp zich bevindt bij de veroorzaker, hoe groter het effect. Hoe sterker de weerstand, hoe kleiner het effect.

Als alternatief voor de gangbare behandeling van radioactiviteit is Klaassen gekomen tot een alternatieve opbouw die zo ongeveer een omkering is van wat gebruikelijk is. Het onderwerp wordt zo ingeleid dat het voor veel leerlingen gaat leven en dat ze ook echt zin hebben om ermee te beginnen. Dit is voor ‘radioactiviteit’ niet zo moeilijk. Er kan simpelweg aangegeven worden dat veiligheidsmaatregelen en toepassingen in de gezondheidszorg aan de orde zullen komen. Na zo’n inleiding, die analoog is aan die bij de traditionele opbouw, wordt meteen gewerkt in de richting van wat in de inleiding aangekondigd is. Namelijk door leerlingen te laten ervaren dat ze nog te weinig weten om beschermingsmaatregelen en toepassingen echt goed te begrijpen.

Oproepen van een behoefte aan een radioactiviteitscriterium Leerlingen zijn het er vrijwel unaniem over eens dat kerncentrales en röntgenapparaten iets met radioactiviteit te maken hebben. Maar of een batterij radioactief is, of een laser, of een magneet, daarover zijn ze niet zo zeker of verschillen ze van mening. Op grond van die twijfels en meningsverschillen is bij leerlingen de behoefte op te roepen aan een objectief criterium om vast te stellen of iets radioactief is of niet. Dat criterium wordt de Geigerteller, die leerlingen in het vervolg ook in staat stelt hun uitspraken experimenteel te controleren.

Oproepen van het probleem hoe je iets radioactief maakt Vervolgens gaan leerlingen het ongeluk in Tsjernobyl in de klas nabootsen. Tot op zekere hoogte lukt hen dat ook. Zo zijn ze in staat een eigen opslagplaats voor radioactief afval te bouwen die aan de evidente eis voldoet dat erbuiten geen straling meer te meten is. Ze bouwen bijvoorbeeld een gaskousje net zolang in lood in tot de Geigerteller erbuiten niet meer dan normaal tikt. Deze acties waren te voorzien op basis van de bestaande denkbeelden van leerlingen. Leerlingen leggen op deze manier een weerstand aan om te voorkomen dat het schadelijk iets (radioactiviteit) ontsnapt. Het zal hen niet verbazen dat hun voorstellen blijken te werken. Leerlingen denken ook te weten wat er zou moeten gebeuren om straling te kunnen meten ‘in Nederland’ (de andere kant van de klas). De opslagplaats moet kapot, het moet waaien richting ‘Nederland’, het moet regenen boven ‘Nederland’. Ook deze acties waren te voorzien op basis van hun bestaande denkbeelden. Op deze manieren zal volgens hen immers radioactiviteit getransporteerd kunnen worden van de veroorzaker (‘Tsjernobyl’) naar het voorwerp (‘Nederland’). Dat die voorstellen niet blijken te werken zal daarom hun verbazing wekken. Na het ongeluk in Tsjernobyl was de spinazie in Nederland radioactief geworden. Leerlingen wordt gevraagd ook dit te simuleren, door met de spullen in de klas een appel radioactief te maken. Ook dat denken ze in eerste instantie wel te kunnen, bijvoorbeeld door de appel in de buurt van een radioactief voorwerp te leggen of in een röntgenapparaat. Deze acties waren wederom te voorzien op basis van de bestaande denkbeelden van leerlingen. Het gaat volgens hen immers om manieren om radioactiviteit in de appel te krijgen. Daardoor wordt de appel een potentiële veroorzaker en gevaarlijk om op te eten. Hun verbazing zal verder toenemen wanneer ook deze voorstellen om iets radioactief te maken niet werken. De vraag hoe iets dan wel radioactief gemaakt kan worden dringt zich aldus nadrukkelijk bij leerlingen op, mede gezien de relevantie voor de praktijk. Het was uiteraard ook de bedoeling van de ontwerper dat dit zou gebeuren. Daarmee is het leerlingen duidelijk waar de komende lessen aan gewerkt gaat worden en waarom.

In het eerste deel van de lessenserie is nadrukkelijk de vraag opgeroepen hoe iets radioactief gemaakt kan worden. In het vervolg van de lessenserie beginnen leerlingen met systematisch te onderzoeken hoe iets radioactief gemaakt kan worden en hoe niet.

Uitbreiden van kennis Al doende ontdekken leerlingen dat een Geigerteller wel in de buurt van een appel gaat tikken als deze kleine stukjes van een radioactief object heeft opgenomen.
Hiermee ontstaat het onderscheid tussen ‘in de buurt van een radioactief object zijn geweest’ en ‘stukjes radioactieve stof op of in je hebben’. De docent reikt in aansluiting hierop de termen ‘bestraling’ en ‘besmetting’ aan. Deze begrippen worden vervolgens door leerlingen gebruikt om uit te leggen welke beschermingsmaatregelen in welke situaties adequaat zijn.
Op deze manier komen leerlingen tot wat een macroscopische theorie van radioactiviteit genoemd kan worden. Het is een alternatieve invulling van hun reeds bestaande basale ideeën over veroorzaking. Radioactieve stoffen en besmette voorwerpen zijn veroorzakers. Ze kunnen schadelijke effecten hebben op voorwerpen doordat ze straling uitzenden. Maatregelen moeten gedifferentieerd worden naar bescherming tegen bestraling en bescherming tegen besmetting.

Oproepen en beantwoorden van kwantitatieve vragen Gaandeweg leren de leerlingen door de voorbeeldsituaties meer over de effecten en toepassingen van radioactiviteit. In sommige toepassingen worden mensen bijvoorbeeld opzettelijk besmet voor diagnostische doeleinden. De vraag of dit niet gevaarlijk is (en in welke omstandigheden) vormt een motief voor een kwantitatieve uitbreiding van hun kennis. Daardoor wordt het zinvol om na te gaan of iets altijd even radioactief, of besmet, blijft en hoever straling ergens in door kan dringen. De activiteiten die hiervoor worden aangeboden verschillen niet wezenlijk van die in andere lessenseries over radioactiviteit. Aan de orde komen doordringend vermogen, activiteit en halveringstijd.

Oproepen en beantwoorden van theoretische vragen De macroscopische theorie beantwoordt vragen van leerlingen, maar roept ook nieuwe vragen bij ze op. Waarom zendt een bestraald voorwerp geen straling uit? Wat gebeurt er dan met die straling? Waarom is bestraald worden wél schadelijk? Wat is straling eigenlijk? Kortom, het zijn problemen die ook in de gangbare benadering centraal staan, namelijk theoretische problemen van de soort: wat is radioactiviteit? Maar waar in de gebruikelijke benadering het boek of de docent die problemen stelt, worden ze in de alternatieve benadering door leerlingen zélf naar voren gebracht. Uiteraard was het ook de bedoeling dat leerlingen dat zouden doen, of in ieder geval het belang ervan zouden inzien wanneer een medeleerling of de docent dat deed.

Leerlingen krijgen vervolgens enkele hints waarmee ze hun theoretische problemen in microscopische termen kunnen proberen op te lossen. Bijvoorbeeld de hint dat straling niets anders is dan snel bewegende deeltjes. Kunnen ze hiermee verklaren dat een bestraald voorwerp wel schade ondervindt ten gevolge van straling, maar zelf geen stralingsgevaar vormt voor zijn omgeving?
Om de theoretische problemen van leerlingen op een voor hen bevredigende manier af te handelen is een gedetailleerde behandeling van atoombouw overigens niet nodig. De onderste pijl in figuur 3 is daarom gestippeld weergegeven. De overige pijlen kunnen wel opgevat worden als te staan voor inhoudelijke redenen of motieven van leerlingen om van het een naar het ander te gaan. In deze alternatieve opbouw is derhalve sprake van een stevige inhoudelijke coherentie.

Figuur 3: Een alternatieve opbouw van het onderwerp ‘radioactiviteit’, met een stevige inhoudelijke coherentie

Affectief De meeste leerlingen in het onderzoek vonden de lessenserie leuk, interessant en/of instructief. Vaak werd hierbij het discussiëren in groepen als reden genoemd. Enkele leerlingen vonden het te langdradig. Ook werd het door sommige leerlingen als vervelend ervaren dat vragen soms niet meteen beantwoord konden worden.

Cognitief Uit de evaluatie komt naar voren dat de didactische structuur als ‘goed genoeg’ beschouwd kan worden. Dat betekent dat het onderwijsleerproces in de onderzochte klassen min of meer verliep zoals verwacht. Waar het proces afweek van de verwachtingen kon dit verklaard worden doordat leerlingen een taak of een interventie van de docent niet begrepen hadden zoals bedoeld.

Klaassen vindt dat leerlingen vaak fout geïnterpreteerd worden in de onderzoeksliteratuur naar denkbeelden van leerlingen. Uitspraken van leerlingen worden vaak onterecht als incorrect beschouwd. Bovendien komen belangrijke en didactisch bruikbare intuïties van leerlingen niet boven tafel.
Als een leerling bijvoorbeeld zegt dat een kracht nodig is om iets in beweging te houden, dan noemen veel onderzoekers dat een misconceptie. Een uitspraak die in strijd is met Newton’s traagheidswet. Die conclusie moet volgens Klaassen echter niet te gehaast getrokken worden. Wat de leerling volgens hem waarschijnlijk alleen maar wil zeggen is dat je iets moet blijven doen om een voorwerp in beweging te houden. Bijvoorbeeld een wandelwagen blijven duwen of blijven trappen op een fiets. En dit klopt. Iedere natuurkundige vindt dat ook.
Er lijkt dus geen conflict te bestaan tussen wat de leerling vindt en wat de natuurkundige vindt. Anderzijds lijkt het krachtbegrip van een natuurkundige toch te verschillen van dat van de leerling. Maar wat is dan het krachtbegrip van de leerling en hoe verhoudt dat zich tot het natuurkundig krachtbegrip? Volgens Klaassen moet dieper gegraven worden vooraleer hierover conclusies getrokken kunnen worden en gebeurt dat te weinig in de onderzoeksliteratuur.
Na zijn promotie-onderzoek heeft hij dat voor het krachtbegrip proberen te doen (Klaassen, 2005). Waarom vindt de leerling bijvoorbeeld dat je moet blijven trappen op een fiets? Het antwoord is simpel: anders kom je stil te staan. Achter dit simpele antwoord ligt echter een basale intuïtie die alledaagse en natuurkundige bewegingsverklaring gemeen hebben. In beide domeinen zorgen krachten voor afwijkingen van de manier waarop een voorwerp gedacht wordt uit zichzelf al te bewegen. Op basis van deze analyse heeft Klaassen een inleidende mechanica-cursus ontwikkeld voor de vierde klas van het vwo. Daarin wordt de basale intuïtie geëxpliciteerd en uitgebouwd tot natuurkundige bewegingsverklaring (Klaassen et al, 2008; Emmett et al, 2009b).

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, valt te verwachten dat ze nieuwe kennis zullen accepteren op gronden die ze zelf begrijpen. Bovendien kunnen ze dan de functie van elke activiteit begrijpen en bepalen waarom het inhoudelijk zinvol is om eraan deel te nemen.
In probleemstellend onderwijs wordt met opzet geprobeerd bepaalde problemen bij leerlingen op te roepen. Deze problemen gaan dan fungeren als doelen voor vervolgactiviteiten. Tevens wordt geprobeerd intuïties aan te boren die behulpzaam zijn bij het zoeken naar oplossingen. Op die manier wordt geprobeerd de nieuw aan te leren kennis in te passen binnen de bestaande denkkaders van leerlingen.
Er wordt niet verwacht dat elke leerling elke oplossing helemaal zelf bedenkt of dat elke leerling elk gepland probleem zelf formuleert. Het volstaat dat alle leerlingen het voldoende belangrijk vinden om het probleem op te lossen en zich daartoe voldoende in staat achten. Verder dienen de docent en het lesmateriaal de leerlingen te ondersteunen bij zowel het formuleren van problemen als het vinden van oplossingen. Dit laatste speelt nadrukkelijk waar het gaat om het expliciteren van dieper liggende intuïties.

Om goed met probleemstellend lesmateriaal te kunnen werken, moet de docent vertrouwen hebben in de te volgen aanpak en in leerlingen. Om dit vertrouwen te krijgen is het waarschijnlijk belangrijk om dit soort onderwijs in actie te zien, bijvoorbeeld door erbij aanwezig te zijn of videomateriaal te bekijken. Een docent kan enthousiast kan raken om zoiets zelf ook te proberen, door te zien dat het werkt en in te zien dat het bij hem ook zal kunnen werken. Dus dat hij het voor zich ziet dat de bedoelde vragen ook door zijn leerlingen gesteld en na verloop van tijd beantwoord zullen kunnen worden.
Daarnaast moet een docent goed in staat zijn om het proces in de klas te ‘managen’. Hij moet adequaat kunnen omgaan met klassediscussies en met onverwachte reacties van leerlingen. Hij moet vragen en opmerkingen van leerlingen snel kunnen beoordelen in relatie tot het verloop van het leerproces. Hij moet regelmatig terughoudend zijn in het geven van uitleg.
In het onderzoek van Klaassen heeft de voorbereiding van de docent veel tijd en moeite gevraagd. Het is met name lastig om docenten gevoelig te maken voor de afstemming van hun vakdidactisch handelen op het inhoudelijk-functionele handelen van hun leerlingen. In latere onderzoeken waarin een probleemstellende benadering is uitgewerkt is dit probleem niet opgelost.