Ontwerpen versus onderzoeken

Technisch ontwerpen in het voortgezet onderwijs?
Inleiding
Techniek verovert zich geleidelijk een plaats in het curriculum van het algemeen vormend onderwijs. In
het primair onderwijs zijn elementen van techniek opgenomen in de eindtermen. In de basisvorming van
het voortgezet onderwijs (klas 1 en 2) staat techniek als apart vak op het lesrooster. In de tweede fase
(klas 4 en hoger) is technisch ontwerpen opgenomen in de schoolexamens voor de
natuurwetenschappelijke vakken. Ook in het buitenland raakt techniekonderwijs steeds meer geïntegreerd
in het curriculum voor alle leerlingen. Dit is een gevolg van de belangrijke plaats die techniek in onze
moderne samenleving inneemt en ook van de toenemende behoefte aan technisch personeel in
geïndustrialiseerde landen. In Nederland heeft techniek in vergelijking met de ons omringende landen een
relatief slecht imago. Technische studies worden als moeilijk en saai gekwalificeerd en bovendien vinden
leerlingen dat ze in vergelijking met andere opleidingen weinig carrièreperspectief bieden. Dat maakt dat
de belangstelling voor technische beroepen en vervolgstudies vrij gering is.
Om duurzaam iets te doen aan het negatieve imago van techniek moet geïnvesteerd worden in het
onderwijstraject van 4 tot 18 jaar. Het traditionele bètaonderwijs biedt te weinig prikkels om leerlingen voor
een bèta/technische vervolgstudie te interesseren. Een van de problemen is de eenzijdige aandacht voor
cognitieve vaardigheden en theorie. Het onderwijs richt zich vooral op leerlingen met een theoretische
belangstelling. Leerlingen met een meer technische belangstelling, die gemotiveerd worden door praktisch
bezig zijn en door leren in interactie van denken en doen, worden onvoldoende aangesproken. De praktijk
wijst uit dat deze groep – ook in het vwo (!) – groot is. Mede vanuit deze zienswijze is in projecten als
Techniek 15+ en het Slotakkoord Technologie&Samenleving gewerkt aan de integratie van technisch
(ontwerp)onderwijs in het bètaprogramma.
Relatie tussen natuurwetenschappen en techniek
De inbedding van ontwerponderwijs in het curriculum voor de natuurwetenschappelijke vakken noopt tot
reflectie op de relatie tussen natuurwetenschappen en techniek. Technologie en natuurwetenschap zijn
nauw verweven. Opvattingen over de aard van deze verwevenheid spelen in veel landen een belangrijke
rol bij discussies over de inrichting van het techniekonderwijs. Velen zien techniek vooral als toegepaste
natuurwetenschap. Idee daarbij is dat als je de natuurwetenschappelijke kennis eenmaal hebt, de
techniek er vanzelf uit komt rollen. Dit strookt echter niet met historische feiten. In China werden
bijvoorbeeld vuurwerkpijlen ontwikkeld voor er een fysische theorie was over raketaandrijving; de
stoommachine was er voor de wetten van de thermodynamica en de telefoon van Bell was gebaseerd op
de elektrische eigenschappen van koolstoof die op dat moment nog onbekend waren binnen de
natuurwetenschap.
Gebaseerd op een studie naar de geschiedenis van industriële onderzoekslaboratoria beschrijft Mark de
Vries1 zowel interacties waarbij natuurwetenschap de drijvende kracht vormt achter
technologieontwikkeling (bijv. de chipindustrie) als de omgekeerde weg, waarbij wetenschappelijk
onderzoek voortvloeit uit technologische ontwikkelingen.
Verder moet worden opgemerkt dat bij technische productontwikkeling vaak ‘geshopt’ wordt uit diverse
wetenschappen: techniek is sterk multidisciplinair.
1
De Vries, M.J. “Industrial Research and Development Labs: How they inform Science and Technology Curricula” in the Journal of
Technology Studies, blz 64 t/m 70, Winter/Spring 2000, Virginia.
Didactisch model
Visie op ontwerponderwijs
Natuurwetenschappelijke kennis op zich is onvoldoende om succesvolle technologische innovaties tot
stand te kunnen brengen. Techniek is meer dan toegepaste natuurwetenschap en daarmee moet
rekening gehouden worden bij de ontwikkeling van onderwijs over ‘natuur en techniek’. Het is dan zaak
onderwijs te ontwikkelen dat zicht geeft op voor technici kenmerkende probleembenaderingen en
werkwijzen. Naast aandacht voor natuurwetenschappelijk onderzoek (methoden van kennisverwerving)
moet er dus ook aandacht zijn voor technisch ontwerpen (methoden van productontwikkeling).
Zowel natuurwetenschappelijk onderzoek als technisch ontwerpen maken deel uit van het
vaardigheidsonderwijs in de basisvorming en in de tweede fase v.o. Onderzoek behoort vooral tot het
werkterrein van natuurwetenschappers en ontwerpen tot dat van ingenieurs. Traditioneel wordt binnen de
natuurwetenschappelijke vakken vrij veel aandacht besteedt aan de manier waarop
natuurwetenschappers kennis verwerven. De bedoeling van ontwerponderwijs is dat leerlingen tijdens hun
schoolloopbaan ook kennismaken met de werkwijzen van ingenieurs.
Waar verschilt ontwerpen van onderzoeken?
Natuurwetenschap en techniek hebben een verschillende oriëntatie. Simpel geformuleerd hebben de
natuurwetenschappen tot doel de fysische wereld om ons heen te begrijpen en heeft de techniek tot doel
deze wereld te veranderen. De opbrengst van natuurwetenschappelijk onderzoek is kennis, de opbrengst
van technische ontwerpactiviteiten bestaat uit producten.
Een belangrijke kwaliteitseis voor de uitkomsten van natuurwetenschappelijk onderzoek is
‘correspondentie met de feiten’. Een goede theorie moet verschijnselen immers betrouwbaar beschrijven,
verklaren en voorspellen.
De kwaliteit van een technisch ontwerp wordt vooral bepaald door de bruikbaarheid voor de doelgroep.
Uitgangspunt voor technische productontwikkeling is een geconstateerde - of op zijn minst vermeende behoefte. Analoog zou je daarom kunnen zeggen dat een belangrijke kwaliteitseis voor een ontwerp de
‘correspondentie met de behoeften van een opdrachtgever of een probleemhebber’ is. Waar we bij
onderzoek te maken hebben met objectieve kwaliteitseisen, wordt de kwaliteit van een technisch product
dus afgemeten aan waardeoordelen van de doelgroep.
Voor leerlingen weerspiegelen deze verschillen in gerichtheid ook verschillen in motivatie. Onderzoekers
worden veelal gemotiveerd door nieuwsgierigheid, het werken met generalisaties en de wens een
fundamenteel begrip te verwerven van de wereld om hen heen. Ontwerpers laten zich motiveren door
doen, het plezier van dingen creëren en de wens om praktische oplossingen uit te werken voor concrete
(menselijke) problemen.
Hiermee samenhangend is het interessant om eens te kijken naar de aard van probleemoplossing in
beide domeinen. Ter illustratie hebben we in onderstaande figuur 2 de processen gefaseerd weergegeven.
Hoewel deze afbeelding anders suggereert zijn de verschillen aanzienlijk, vooral in de eerste drie fasen:
Een ontwerpprobleem start met een oriëntatie op mensen: een mismatch tussen de bestaande wereld en
de behoeften van een doelgroep of opdrachtgever. Bij de probleemanalyse gaat het erom een zo goed
mogelijk beeld te krijgen van deze behoeften en de tekortkomingen van beschikbare oplossingen.
Een onderzoeksprobleem start veelal met een oriëntatie op een verschijnsel: een mismatch tussen de
theorie en de waargenomen feiten. De probleemanalyse concentreert zich op de bestudering van het
verschijnsel en het activeren van beschikbare theorie ter verklaring van de waarnemingen.
2
De diagrammen worden hier slechts gebruikt als ‘kapstok’ voor de bespreking van de belangrijkste verschillen. Ze geven geen
‘blauwdruk’ voor de probleemoplossingproces in deze domeinen (het werkelijke verloop is bijvoorbeeld eerder cyclisch dan lineair).
Ontwerpen
Onderzoeken
Probleem-analyse
Analyse van een verschijnsel
Probleem-definitie
Probleem-definitie
Cognititief modelleren
Cognitief modelleren
Ontwerpvoorstel
Experimentvoorstel
Prototype bouwen
Experimenteren
Evalueren
Evalueren
In de fase van de probleemdefinitie wordt geprobeerd de probleemstelling zo helder mogelijk af te
bakenen. Bij een ontwerpprobleem moeten toetsbare ontwerpeisen worden geformuleerd. Bij een
onderzoeksprobleem trachten we de onderzoeksvraag te verhelderen. Typisch voor ontwerp is dat de
ontwerpproblemen meestal vaag gedefinieerd (‘ill defined’) zijn. Opdrachtgevers of probleemhebbers
hebben incomplete beelden van aanvaardbare oplossingen. Ontwerpeisen kunnen ontleend worden aan
verschillende fasen van de levenscyclus van een product. Daarom zijn ontwerpeisen of doelcriteria niet
alleen vaag gedefinieerd, maar soms zelfs tegenstrijdig 3. Kenmerk van een technische probleemoplossing
is dat er meerdere aanvaardbare oplossingen zijn (bij natuurwetenschappelijk onderzoek gaan we er in de
regel vanuit dat er slechts één juiste oplossing is).
Na de definitie van het probleem start een creatief proces van zoeken naar mogelijke oplossingen. We
duiden deze fase aan met de term ‘cognitief modelleren’. Dit proces speelt zich voor een belangrijk deel af
in het domein van de geest en maakt gebruik van beschikbare kennis en ervaring. Bij onderzoek is de
kennisbasis voornamelijk disciplinair van aard (natuurwetenschappen), bij technisch ontwerp
multidisciplinair (bijvoorbeeld natuurwetenschappen, technologie, psychologie, ergonomie en economie).
Bij onderzoeken formuleren we hypothesen en gebruiken we bestaande (school) theorie om modellen af
te leiden, waarmee we de waargenomen feiten kunnen verklaren. Theoretische modellen worden gebruikt
om uitkomsten te voorspellen voor experimentele verificatie of falsificatie. Bij ontwerpen is de speurtocht
naar mogelijke oplossingen complexer: die tocht richt zich op een (nog) niet bestaande en niet direct
observeerbare wereld4. Je moet betrouwbare voorspellingen doen over het toekomstig ‘gedrag’ van te
ontwerpen producten, maar je weet nooit zeker welke oplossing het beste correspondeert met de
behoeften van de probleemhebber.
In de volgende fasen (zie figuur hierboven) lijken de verschillen in probleembenadering minder groot. In
deze fasen gaat het vooral om ‘convergente’ activiteiten als planning, constructie en het testen van
ideeën.
3
Middleton H. “Design and Technology: What is the problem?” in Richard Kimbell (ed) DATA 2000, Design and Technology
Association, Warwickshire, 12 – 17.
4 Roozenburg N.F.M. en Eekels J, “Produktontwerpen, structuur en methoden”, blz. 101 e.v., Uitgeverij Lemma BV, Utrecht 1996.
Gevolgen voor ontwerpdidactiek?
Gebaseerd op bovenstaande analyse willen we bij de ontwikkeling van ontwerpmodulen vooral accenten
leggen bij de eerste fasen van het ontwerpproces.
In de fase van de probleemanalyse moeten leerlingen in de gelegenheid worden gesteld zich te
identificeren met de ontwerpopdracht en antwoorden te vinden op vragen als ‘wat is het probleem?,’ wie
heeft het probleem?’ en ‘wat willen we met een mogelijke oplossing bereiken?’.
Aandacht hiervoor weerspiegelt niet alleen de professionele ontwerppraktijk, maar leidt ook tot kwalitatief
betere ontwerpen. Bovendien werkt identificatie met een toekomstige gebruiker/probleemhebber
motivatieverhogend. Het zet technische probleemoplossing neer als een mensgerichte activiteit, hetgeen
ook meisjes aanspreekt!
In onderwijsprojecten is met de verschillende werkvormen5 geëxperimenteerd om identificatie met de
probleemstelling te versterken:
o Een bevraagbare probleemhebber (identificeren met doelgroep)
o De methode brainwriting (identificeren met opdrachtgever)
o Situationele simulatie (identificeren met de probleemhebber/ identificeren met technische
disciplines)
o Concept maps (gebruik van visuele schema’s bij probleemverkenning)
In de fase van cognitief modelleren moeten leerlingen gestimuleerd worden meerdere oplossingen te
bedenken voor het ontwerpprobleem. Het vinden van veelbelovende oplossingen vereist ‘divergent
denken’. Soms wordt dat ook wel creativiteit genoemd. Bij technisch ontwerpen gaat het evenwel om een
vorm van creativiteit die zowel originele als toepasbare uitkomsten oplevert.
Bij het genereren van ideeën moeten leerlingen zich zo goed mogelijk los kunnen maken van de
‘gevangenis van het bestaande’. Zij moeten met een open geest de problemen benaderen. Hiervoor zijn
in de praktijk verschillende strategieën6 beschikbaar.
In het lesmateriaal op deze site wordt vaak gebruik gemaakt van functieanalyse en een ideeëntabel als
gereedschap voor het creatief bedenken van alternatieve uitwerkingen. Een ideeëntabel is een
hulpmiddel om voor onderscheiden taken en eigenschappen (functies) die het ontwerp moet hebben
meerdere alternatieve uitwerkingen in kaart te brengen.
5
Zie ook blz. 59/60 in de AXIS-publicatie “Leren innoveren”, Projectportret van Techniek 15+, Juni 2003
6
Bijvoorbeeld: De Bono, E “The CoRT Thinking program, 2nd Edition, Oxford: Pergamon Press, 1986.
Doelstellingen technisch ontwerponderwijs
De nadruk bij het ontwikkelde lesmateriaal ligt op het aanleren van ontwerpvaardigheden. Naast
toepassing van vakkennis in een technische context heeft dit materiaal tot doel leerlingen voor te bereiden
op de ontwerpactiviteiten die eventueel in het kader van het profielwerkstuk moeten worden uitgevoerd.
Het is uiteraard niet mogelijk om leerlingen via de ontwerpmodulen op te leiden tot ervaren ontwerpers.
Belangrijk is dat ze inzicht verwerven in de basiskenmerken van technische probleemoplossing. Van
leerlingen verwachten we dat ze tijdens het ontwerpproces een ontwerpprobleem analyseren, alternatieve
uitwerkingen bedenken, een ontwerpvoorstel formuleren en vervolgens een eerste prototype bouwen en
testen aan de hand van de geformuleerde eisen en randvoorwaarden. Uitgangspunt is dat deze
ontwerpcyclus tenminste een keer wordt doorlopen; dat het product wordt geëvalueerd en dat na evaluatie
wordt volstaan met suggesties voor verbeteringen. Vergeleken met ontwerpactiviteiten in de basisvorming
wordt in de tweede fase meer aandacht besteed aan systematische probleemoplossing en wordt meer
gebruik gemaakt van natuurwetenschappelijke kennis. Bij het uitwerken van de ontwerpopdrachten zijn
per ontwerpfase de volgende leerdoelen gehanteerd:
Probleem analyseren en beschrijven
Vertrekpunt voor een ontwerpopdracht is steeds een herkenbare probleemhebber. Leerlingen moeten zich
met de inhoud van de opdracht kunnen identificeren en gesignaleerde behoeften en wensen kunnen
vertalen in ontwerpeisen. Dit vormt een startpunt voor elke ontwerpopdracht. Dit is niet alleen belangrijk
voor de algemene beeldvorming over techniek, maar ook voor de motivatie (zeker voor meisjes!).
Programma van eisen opstellen
Leerlingen moeten ontwerpeisen tenminste voor een deel uit een gegeven context kunnen afleiden en
globaal geformuleerde behoeften zonodig kunnen (her)formuleren in toetsbare eisen. Om de identificatie
te versterken kan ook gewerkt worden met een bevraagbare probleemhebber of opdrachtgever.
(Deel)uitwerkingen bedenken
Ontwerpproblemen kennen geen unieke oplossingen. Het gaat veelal om het zoeken van het beste
alternatief uit meerdere mogelijke uitwerkingen. Leerlingen moeten daarom in staat zijn meerdere
alternatieve uitwerkingen voor het gegeven ontwerpprobleem te verzinnen.
Ontwerpvoorstel formuleren
Leerlingen moeten uitgaande van alternatieve uitwerkingen beargumenteerd een ontwerpvoorstel kunnen
genereren, waarbij zowel rekening wordt gehouden met het programma van eisen als met voor hen
beschikbare materialen en voorzieningen.
Ontwerp realiseren
Leerlingen moeten het ontwerpvoorstel kunnen omzetten in een werkend prototype, gebruik makend van
voor hen beschikbare materialen en voorzieningen.
Ontwerp testen en evalueren
Leerlingen moeten kunnen nagaan in hoeverre het geconstrueerde prototype voldoet aan het
geformuleerde programma van eisen en voorstellen kunnen doen voor verbetering.