workshop conceptbuilding velewe congres november 2013

WORKSHOP CONCEPTBUILDING
PROBLEEMSTELLING
Context
-
nieuwe leerplannen eerste graad voor natuurwetenschappen: concepten die in de tweede graad werden aangebracht schuiven naar de
eerste graad (deeltjesmodel, kracht, energie) → curriculumhervorming aan de lerarenopleiding: verbreding waarbij alle studenten
wetenschappen een brede waaier van concepten moeten beheersen en kunnen aanleren.
-
nieuw leerplan techniek eerste graad: 25% duiden en 25% begrijpen naast 50% handelen in toepassingsgebieden energie, constructies,
transport, biochemie, informatie en communicatie → leerkracht techniek moet basisconcepten als energie, vermogen, druk, …. beheersen
en kunnen aanbrengen in functie van het begrijpen van techniek.
Probleem in de eerste graad werd dat de aanpak tweede graad niet getransfereerd kon worden naar de eerste graad omdat deze aanpak te
formeel is (definities, formules, rekenen). Leerlingen hebben de wiskundige, abstracte vorming in de eerste graad nog niet om die aanpak toe
te laten. Een nieuwe aanpak drong zich op.
-
nieuwe leerplannen wetenschappen in de tweede graad.
Deze leerplannen vragen aandacht voor aanbreng van concepten, bewaken de volgorde in de aanbreng van concepten, werden minder
overladen door horizontaal overleg wetenschappen → ruimte voor conceptonderwijs
Concept, conceptueel, conceptbuilding?
In wetenschap en techniek maken we gebruik van heel wat concepten om de realiteit te beschrijven, om modellen van de realiteit te beschrijven.
Een concept (van het latijn concipere, conceptum: bijeen nemen, vatten, begrijpen) is de mentale voorstelling die staat voor een geheel van
ideeën.
Voorbeelden: energie, temperatuur, druk, deeltje, …. Dit zijn voor leerlingen geen nieuwe begrippen, maar de betekenis die we er binnen de
wetenschap aan geven verschilt van de betekenis die leerlingen er intuïtief aan geven. In de wetenschap spreken we bijvoorbeeld over de
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
grootheid (wat je kan meten ) temperatuur. Het concept temperatuur is echter veel ruimer. De invulling die leerlingen aan het concept temperatuur
geven is grotendeels intuïtief, eerder eenzijdig, meestaal niet wetenschappelijk.
Onder conceptueel onderwijs verstaan we: onderwijs met aandacht voor het concept in de brede betekenis.
In de nieuwe leerplannen 2de graad wordt er aandacht geschonken aan een conceptuele aanpak.
Een voorbeeld uit het leerplan fysica, ASO, tweede graad:
B1
Het begrip arbeid op een kwalitatieve manier toelichten.
F6
SET28
Taalsteun
De term arbeid heeft in het dagelijks leven een bredere betekenis dan in de fysica. In de fysica is er sprake van arbeid als
een kracht werkt op een voorwerp dat zich verplaatst. Een zware boekentas boven je hoofd houden is lastig, maar is
fysisch gezien geen arbeid.
De volgorde waarin concepten worden aangereikt is herdacht met de bedoeling een duidelijke scheiding tussen intuïtieve en wetenschappelijke
invulling zichtbaar te maken. Starten met snelheid is daar een voorbeeld van. In het derde jaar starten we nu met de wetenschappelijke betekenis
van het concept snelheid zuiver te zetten en vervolgens brengen we het concept licht aan. Licht heeft immers snelheid. Ik heb het concept
snelheid dus nodig om het concept licht te bevatten.
Conceptbuilding is het proces dat doorlopen moet worden om een concept in zijn ruime betekenis te bevatten.
Wat is enerzijds de intuïtieve voorkennis? Deze intuïtieve voorkennis van leerlingen werd door uitgebreid wetenschappelijk onderzoek in de jaren
’90 in kaart gebracht. Deze intuïtieve voorkennis bestaat oa. uit preconcepten.
Wat is anderzijds de wetenschappelijke invulling van een concept? Ten slotte.
Hoe maken we de overgang van de intuïtieve invulling van het concept naar de wetenschappelijke? Hoe krijgt het concept verder vorm?
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
De taal die binnen conceptbuilding gebruikt wordt is dagelijkse taal in tegenstelling tot definities, formules en symbolentaal.
Het uitgangspunt van conceptbuilding is geen abstract model van de werkelijkheid zoals in een formele beschrijving, maar de zintuigelijk
waarneembare realiteit.
Conceptbuilding vergt een voldoende brede invulling van een begrip, vraagt om verschillende benaderingen. Denk aan hoe je als jong kind tot
inzicht in het concept ‘vallen’ komt. Via taal: iemand zegt ‘is het gevallen, laat het vallen, het valt,….’ Via activiteiten: je laat voorwerpen opnieuw
en opnieuw vallen, je kijkt, je luistert naar het geluid dat het maakt, je probeert op te vangen. De totaalervaring geeft vorm aan het concept.
Vandaar ook de brede invulling die leerlingen zelf geven wanneer je hen vraagt wat denk je wanneer je het woord vallen hoort.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
METHODIEK conceptbuilding
Binnen de opleiding wetenschappen is conceptbuilding een onderdeel van het curriculum sinds de leerplanhervorming naar natuurwetenschappen
in de eerste graad van het secundair onderwijs. Alle studenten wetenschappen hebben bvb. fysica. De niet - fysica student krijgt een conceptuele
invulling van bvb. temperatuur. De fysica student krijgt een conceptuele en een formele invulling. We werken volgens onderstaande methodiek:
Stap 1: kennis nemen van preconcepten van leerlingen
Deze preconcepten zijn uit onderzoek bekend. (Bvb. oa. Driver, Squires, Rushworth, Wood Robinson,Making sense of secondary science, 1993).
Een voorbeeld voor het concept ‘snelheid’
-
Constante rechtlijnige snelheid en rust zijn twee verschillende toestanden.
-
Leerlingen leggen geen verband tussen de begrippen afstand, snelheid en tijd. Tijd maakt geen onderdeel uit van hun denken over
bewegende voorwerpen.
-
Wanneer een voorwerp tot een bepaalde snelheid versnelt, gebeurt dat ogenblikkelijk.
-
Een constante snelheid wil zeggen voortdurend in beweging ( in termen van ‘constant snelheid’).
-
Versnellen wil zeggen inhalen. Wanneer voorwerpen elkaar inhalen hebben ze op dat ogenblik dezelfde snelheid.
-
Vaak is er geen duidelijk onderscheid tussen snelheid en versnelling. Versnelling betekent sneller of snel bewegen.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Een voorbeeld voor het concept ‘zien’
Veel leerlingen hebben een ‘active eye’ idee over kijken en zien. Ze denken dat hun ogen kijken en
dat licht enkel helpt om beter te kunnen kijken.
-
Sommigen denken dat licht een voorwerp letterlijk ‘oplicht’ zodat we het kunnen zien.
Anderen zeggen dat we verder kunnen kijken als het licht aan is.
-
Als in hun verklaring een lichtbron voorkomt zeggen ze vaak dat licht van de lichtbron naar het oog gaat (het
oog als het ware activeert) en dan wordt weerkaatst naar het voorwerp.
-
Sommige kinderen maken een onderscheid tussen een lichtbron en een donker lichaam op de volgende
manier: een lichtbron zendt licht uit naar ons oog, naar een donker lichaam moet je zelf
kijken.
Afbeeldingen: Driver, Squires, Rushworth, Wood Robinson,Making sense of secondary science, 1993
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Stap 2: identificeer de grote wetenschappelijke kernideeën die leerlingen moeten kennen om het concept wetenschappelijk te begrijpen.
Kleed het concept als het ware uit, breng het terug tot zijn fundament, tot de essentie. Vertrek van je wetenschappelijk kader. Laat
randinformatie weg. Vervang vakjargon door dagelijkse taal. Bewaak dat je voldoende concreet bent. Bewaak dat je niet ingaat tegen het
wetenschappelijke idee.
Voorbeeld 1: temperatuur
Wetenschappelijk kader:
Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de moleculen in een stof. In formule:
1 2 3
m
v  kT
2
2
Met …..
Kernideeën:
-
de wereld is opgebouwd uit deeltjes
-
deeltjes bewegen, trillen
-
hoe heftiger de beweging, hoe hoger de temperatuur
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Voorbeeld 2: elektrische stroom
Wetenschappelijk kader:
Elektrische stroom is het verplaatsen van ladingsdragers door een geleider of een halfgeleider onder
invloed van een potentiaalverschil.
Formule: I 
Q
t
met:
I : elektrische stroom in ampère (A)
Q : elektrische lading in coulomb (C)
t : tijd in seconde (s)
Kernideeën
In metaaldraden zoals bijvoorbeeld ijzer, koper, lood en aluminium zitten er kleine deeltjes (veel kleiner dan moleculen) die vrij bewegen. Deze
deeltjes stoten elkaar af.
Aan één kant van een batterij zitten heel veel dergelijke deeltjes, aan de andere kant heel weinig. Verbind je de uiteinden van een batterij met
metalen, dan stromen deze deeltjes van waar er veel zitten naar waar er weinig zitten.
Het aantal deeltjes dat per seconde op een bepaalde plaats passeert, heet de elektrische stroom.
Waarom bij voorkeur niet het model van mannetjes die door een draad lopen?
We kunnen de voorkennis deeltjesmodel uit de eerste graad natuurwetenschappen benutten. In de omschrijving blijven we zo dicht mogelijk bij het
wetenschappelijke idee.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Voorbeelden 3: een oefening
→ Oefening: gegeven zijn grote A4 bladen met telkens een concept: warmte, kracht, energie, magnetisme, geluid, deeltje. Welke ideeën zijn
volgens jou fundamenteel om dit concept te vatten? Lijst ze op.
Ervaringen met studenten leert dat deze oefening moeilijk is. De reden daarvoor is dat we hen een opdracht geven die ingaat tegen hun opleiding,
tegen hun denkkader in. Hun opleiding was formeel, vertrekkende vanuit abstracte modellen van de werkelijkheid, wiskundige beschrijvingen van
deze modellen, definities. Onderzoek wijst uit dat een dergelijke formele opleiding niet leidt tot inzicht in wetenschappelijke concepten en tot het
kunnen toepassen van wetenschappelijke kennis in reële situaties.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Stap 3: de fundamentele ideeën vertalen naar leermateriaal.
Het leermateriaal dat we ontwikkelen rust op verschillende pijlers: taal via conceptomschrijvingen, beeld via concept strips en conceptsimulaties,
activiteiten via conceptexperimenten. De pijlers worden uitgewerkt vertrekkende van de fundamentele ideeën die we in stap 2 identificeerden.
Taal
Voorbeeld omschrijvingen voor temperatuur uit de tweede graad; een bloemlezing van omschrijvingen uit handboeken vroeger en nu
Men stelt vast dat de aanraking van een voorwerp of een stof ons verschillende gewaarwordingen kan geven, die in gewone omgangstaal met
woorden als: warm, koud, lauw, heet, enz. worden weergegeven. In de fysica zegt men dat dit onderscheid neerkomt op een verschil in
temperatuur. Bij hogere temperatuur hebben de moleculen van een stof een grotere gemiddelde snelheid. De temperatuur van een stof kan dan
ook opgevat worden als een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de moleculen. (1974)
Men zegt dat de temperatuur 1 graad Celsius veranderd is als de volumeverandering van een hoeveelheid kwik het honderdste deel is van de
volumeverandering die zij ondergaat bij opwarming van het stolpunt tot het kookpunt van water bij normdruk. (1988)
De temperatuur (symbool t) van een lichaam is een maat voor de energietoestand of warmtetoestand van het lichaam. Temperatuur wordt meestal
uitgedrukt in graden Celsius. (1991)
Temperatuur geeft aan of het warm of koud is. Temperatuur wordt gemeten met een thermometer. Temperatuur geeft de warmtegraad of
warmtetoestand aan van een lichaam of een voorwerp. Temperatuur is een fysische grootheid. (2002)
De temperatuur van een voorwerp is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes. (2002)
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Merk op: omschrijven worden korter, ze steunen op andere begrippen, verwiskundigen, Lees terug de omschrijving uit ‘Pergoot 1974’. Merk op hoe
de voorziene ruimte afnam, de omschrijving minder toegankelijk werd.
Even terug naar Newton’s Principia (1687). Merk op hoe hij in de 17de eeuw wel duidelijk omschrijft wat hij verstaat onder de woorden die hij
gebruikt. Bovendien benadrukt hij ook het belang van die duidelijkheid.
An impressed force is an action exerted upon a body, in order to change its state, either of rest, or of moving uniformly forward in a right line. This
force consists in the action only; and remains no longer in the body, when the action is over.
Scholium
Hitherto I have laid down the definition of such words as are less known, and explained the sense in which I would have them to be understood in
the following discourse. I do not define time, space, place and motion, as being well known to all. Only I must observe, that the vulgar conceive
those quantities under no other notions but from the relation they bear to sensible objects. And thence arise certain prejudices, for the removing
of which, it will be convenient to distinguish them into absolute and relative, true and apparent, mathematical and common.
(bron: Great Experiments in Physics, Firsthand Accounts from Galileo to Einstein, Morris H. Shamos, p.46-p58)
→ We moeten de taal niet uitvinden, we moeten ze herontdekken.
Een voorbeeld voor energie
We gebruiken als instap de benadering van R. Feynman, Feynman’s lectures’ vol I:
There is a certain quantity, which we call energy, that does not change in the manifold changes that nature undergoes. That is a most abstract
idea, because it is a mathematical principle. It says that there is a numerical quantity which does not change when something happens.
De instap is het woord ‘verandering’. We vermijden vakjargon. We reiken een taaltip aan: ‘hoe praat je erover, hoe zeg je het’.
Als er iets verandert kan je dat mogelijk waarnemen met je zintuigen of kan je dat meten. Je ziet, hoort, ruikt, voelt, smaakt of je meet
veranderingen.
Energie is een hoeveelheid die gekoppeld is aan alles in de wereld. Het is een maat voor mogelijke verandering.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Taaltip: energie heb je, iets heeft energie
De energie gekoppeld aan een bepaald voorwerp bijvoorbeeld geeft aan hoeveel verandering er nodig was om dat voorwerp in die situatie te
brengen en hoeveel verandering dat voorwerp op zijn beurt kan teweegbrengen.
De energie van een voorwerp omvat verschillende bijdragen: gekoppeld aan de plaats, gekoppeld aan de beweging, gekoppeld aan het soort stof,
gekoppeld aan de aggregatietoestand , de temperatuur.
Ken je de situatie waarin het voorwerp zich bevindt, dan kan je de energie van het voorwerp berekenen uit meetwaarden zoals bijvoorbeeld de
snelheid van … , de plaats van … , de massa van … , de temperatuur van ….
Verandert er iets met een voorwerp dan verandert de energie van het voorwerp. Een deel van de energie van het voorwerp wordt daarbij altijd
omgezet in energie van de omgeving, dat heet warmte.
Het blijkt dat de totale energie in het heelal constant is.
Kracht
We gebruiken als instap de oorspronkelijk benadering van Newton (zie hierboven). De instap is opnieuw het woord ‘verandering’. We vermijden
vakjargon. We reiken een taaltip aan.
Verandering is het gevolg van interacties of krachten die elkaar niet compenseren of niet opheffen.
Taaltip: kracht oefen je uit op
Heffen krachten of interacties elkaar wel op dan is er geen verandering.
Interacties of krachten gebeuren tussen voorwerpen, personen, deeltjes. Bijvoorbeeld van de aarde op je lichaam, van je hand op een emmer, van
een magneet op een kompasnaald.
Een interactie of kracht kan je voorstellen met een pijl. De lengte van de pijl zegt iets over de sterkte van de interactie, de grootte van de kracht. De
richting van de pijl zegt naar welke kant de kracht werkt. De pijl vertrekt in het voorwerp of de persoon waarop de kracht werkt.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Belangrijk is dat we verwoorden wat we bedoelen. Dat de kerninformatie, de kernideeën achter een inzicht in de omschrijving opgenomen zijn.
Vereenvoudig niet om minder tekst te hebben. Voorzie de noodzakelijke info. Ga uit van de idee dat de lezer geen voorkennis heeft. De keuze
om de info door te nemen is aan de lezer. Die keuze maken we niet voor hem/haar.
Link dagelijkse taal aan jargon.
Er is niet één juiste omschrijving. Het is in een veelheid van benaderingen dat het idee uitkristalliseert.
Beeld
De grote ideeën zijn herkenbaar in de afbeelding, simulatie. Het beeld verbindt macroscopische en microscopische wereld met elkaar, maakt de
microwereld zichtbaar. Het beeld leunt zo nauw mogelijk aan bij het wetenschappelijke idee. Het beeld anticipeert op preconcepten.
Een tekening, een reeks van tekeningen
kernideeën
Voorbeeld deeltje
Deeltjes trillen +/- ter plaatse, deeltjes bewegen,
verplaatsen zich, deeltjes zijn ijl
Voorbeeld
aggregatietoestanden
In vaste stoffen en vloeistoffen is de afstand tussen
de deeltjes klein. In gassen is de afstand tussen de
deeltjes groot
In vaste stoffen is de interactie (aantrekking)
tussen de deeltjes heel groot. In vloeistoffen en
gassen is de interactie (aantrekking) tussen de
deeltjes kleiner.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Voorbeeld kracht
Kracht = interactie
Ik kan kracht voorstellen met een pijl
De pijl vertrekt in het voorwerp/ de persoon waarop
de kracht werkt
Als de totale kracht nul is dan neem je geen
verandering waar in het voorwerp waarop de
kracht werkt.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Voorbeelden
overdracht van
energie
Van windenergie naar bewegingsenergie van de
boot
Van lichtenergie naar elektrische energie
Van lichtenergie naar bewegingsenergie van
deetjes
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Tutor Vista. Com:
Adsorptie en
absorptie
http://www.youtube.com/watch?v=djIzXvwIz5U&feature=relmfu
Tutor Vista. Com:
Beweeglijkheid van
deeltjes
http://www.youtube.com/watch?v=hy-clLi8gHg&feature=related
Een simulatie
Voorbeelden:
Kernideeën
PHET Simulatie
elektriciteit
Conceptbuilding
Elektrische stroom is een gerichte beweging van
geladen deeltjes in een gesloten kring gemaakt van
[email protected]
http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kitdc#translated-versions
VELEWE 2012
gelijkstroom
metaaldraad.
Hoe hoger de aangelegde spanning hoe sneller de
deeltjes bewegen door de metaaldraad.
Hoe sneller de deeltjes bewegen door de
metaaldraad hoe meer licht de lamp geeft
PHET:
Elektromagnetisme
faraday’s lab
Een bewegende magneet doet de geladen deeltjes
in een metaaldraad gericht bewegen.
http://phet.colorado.edu/en/simulation/faraday
Hoe sneller de magneet beweegt, hoe sneller de
deeltjes gericht bewegen.
PHET: Kernfissie
Bij kernfissie wordt een neutron afgeschoten op een
kern. Daardoor valt de kern uiteen in 2 brokstukken
en 3 neutronen.
http://phet.colorado.edu/en/simulation/nuclear-fission
Deze 3 neutronen kunnen op hun beurt 3 kernen
stukschieten….. Zo krijg je een kettingreactie.
Je kan neutronen vangen met controlestaven en de
kettingreactie stoppen.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Activiteiten
Pre experimenteel:
Nadruk op zintuiglijke ervaring
Vertrekkende van preconcepten
Leerlingen kunnen ze vaak gemakkelijk als taak thuis uitvoeren. Een goede onderzoeksvraag is dan van belang.
Enkele voorbeelden:
Mogelijk preconcept
Kernidee
Activiteit
Onderzoeksvraag
De luchtdruk en niet de
zwaartekracht houdt voorwerpen op
het aardoppervlak. De zwaartekracht
komt enkel in de lucht voor; niet in
het vacuüm, niet in vloeistoffen of
vaste stoffen.
Er is interactie tussen de aarde en
voorwerpen. De aarde trekt de
voorwerpen aan. Voorwerpen
trekken de aarde aan.
Breng een ballon in de vacuümklok.
Wat gebeurt er met de ballon als ik
de lucht uit de klok wegzuig?
Leerlingen herkennen geen krachten
uitgeoefend door dode objecten.
Om een voorwerp in rust te houden
moet er een steunkracht werken op
het voorwerp. Die is tegengesteld
gericht aan de zwaartekracht.
Zet een vaas op de tafel.
Zuig de lucht weg uit de vacuümklok.
Merk dat de ballon groter wordt en
niet zoals de leerlingen denken gaat
zweven.
Iemand zet een emmer water op je
hand →je voelt de emmer vallen, je
oefent een toenemende tegenkracht
uit, je hand vertraagt en komt tot
rust. Je voelt de kracht van je hand
op de emmer, de kracht van de
emmer op je hand. Krachten op de
emmer heffen elkaar op.
(steunkracht)
Oefent de tafel een steunkracht uit
op de vaas?
Kijk opnieuw naar de vaas op de tafel
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
en beantwoord nu de vraag.
De afstand tussen de deeltjes van
een vast stof is klein, van een
vloeistof ergens tussenin en van een
gas groot.
De afstand tussen de deeltjes bij
vaste stoffen en vloeistoffen is klein.
De afstand tussen deeltjes in gassen
is groot.
Zand in spuit, water in spuit, lucht in
spuit. Spuit samendrukken.
Rangschik de volgende spuiten op
een schaal van goed naar niet
samendrukbaar:
Spuit gevuld met zand
Spuit gevuld met water
Spuit gevuld met lucht
Temperatuur zegt iets over hoe
warm of hoe koud iets is.
Hoe hoger de temperatuur, hoe
beweeglijker de deeltjes
Beweeglijkheid van moleculen: twee
glazen, warm water en koud water.
In beide een druppel inkt met
druppelteller en het verschil in
beweeglijkheid observeren.
Wat heeft de temperatuur van een
stof te maken met de beweeglijkheid
van de deeltjes waaruit de stof
gemaakt is?
Wanneer de temperatuur van een
kopje koffie daalt is de energie weg.
Voorwerpen op een hogere
temperatuur verliezen energie aan
hun omgeving, dat is warmte
Kopje heet water in een bak met
kouder water. Kopje heet water in
de lucht.
Waar is de energie van het kopje
koffie naartoe?
Het is niet omdat ik jou in de spiegel
zie, dat jij mij ziet
De stralengang van het licht is
omkeerbaar.
Experiment met spiegel en linten.
Als ik jou zie in de spiegel, zie jij mij
dan ook?
Op een voorwerp dat een
cirkelbeweging maakt werkt een
middelpuntvliegende kracht
Een voorwerp dat op een cirkel
beweegt ondervindt een kracht naar
het midden van de beweging gericht.
Experiment met duwen van een bal
om tot centripetale kracht te komen.
Welke kracht moet je uitoefenen op
de bal om hem op een cirkelvormige
baan te brengen?
Ik kijk naar een voorwerp. Licht gaat
van mijn oog naar het voorwerp.
Om iets te zien moet er licht zijn,
moeten je ogen open zijn en moet
licht van het voorwerp je oog
bereiken.
Ogen, ogen open, licht Experiment
laser waarin je ogen open zijn, er
licht is en je toch niets ziet.
Wat is er nodig om te kijken.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012
Stap 4: materiaal testen op effectiviteit
Onderzoek gebeurt in de scholen van de scholengemeenschap Sint Nicolaas.
Conceptbuilding
[email protected]
VELEWE 2012