Ontwerpend leren

Ontwerpend Leren in Meervoud
Fred Janssen
ICLON
Universiteit Leiden
[email protected]
Introductie
Al eeuwenlang verbazen mensen zich over de functionaliteit van organismen. Het lijkt
wel alsof ze zijn ontworpen om een bepaalde functies te kunnen vervullen in een
bepaalde omgeving. Denk bijvoorbeeld aan: de vinnen van vissen waarmee ze
uitstekend kunnen zwemmen; de bek van een specht waarmee hij holen kan maken in
een boom; de kleuren en vorm van een orchidee waarmee insecten worden
aangetrokken voor de bestuiving; onze ogen waarmee we in het algemeen uitstekend
kunnen zien etc.etc.
Ik heb een onderwijsbenadering ontwikkeld waarin leerlingen het idee van
functionaliteit gebruiken om kennis te verwerven over organismen en hun omgeving.
Deze onderwijsbenadering heet ontwerpend leren omdat leerlingen in het algemeen
kennis verwerven over organismen en hun omgeving door deze opnieuw te
ontwerpen. Nu kunnen er verschillende varianten van ontwerpend leren worden
onderscheiden. Zowel wat er wordt geleerd als hoe er wordt geleerd kan verschillen.
In deze korte paper wil ik eerst enkele inhoudelijke varianten beschrijven, en daarna
kort aangegeven op welke verschillende manieren dit door leerlingen kan worden
geleerd (leervarianten). Voor sommige voorbeelden zal ik verwijzen naar het
uitgedeelde driedelige artikel ‘Waar zijn de vragen van leerlingen gebleven?’ De
leervarianten zijn geordend van eenvoudig naar complex, om docenten en leerlingen
op deze manier in staat te stellen geleidelijk aan kennis te leren maken met
ontwerpend leren.
1. Inhoudelijke varianten van ontwerpend leren
Structuur
(proces of gedrag)
Functie
Omgeving
Figuur 1: Functionaliteit veronderstelt dat een structuur een functie kan vervullen in
een bepaalde omgeving
Bij ontwerpend leren wordt er vanuit gegaan onderdelen van organisme (structuren,
processen, gedragingen) een functie vervullen voor het overleven en voortplanten van
een organisme als geheel. Of iets functioneel is wordt bepaald door de structuur en de
omgeving waarin het moet functioneren. Met vinnen kunnen vissen zich in het water
prima voortbewegen, op het land zijn vinnen hiervoor ongeschikt. Functionaliteit
veronderstelt dus een symmetrie tussen drie aspecten van een biologische systeem:
structuur, functie en omgeving (figuur 1). Er kunnen nu tenminste drie inhoudelijke
varianten van ontwerpend leren worden onderscheiden, afhankelijk van welke
1
aspecten (structuur, functie, omgeving) al bekend zijn en over welke aspecten nog
kennis moet worden ontwikkeld.
1. structuur/omgeving (bekend) -> functie (onbekend)
centrale vraag: waarvoor dient het?
2. functie/omgeving (bekend) -> structuur (onbekend)
centrale vraag: hoe werkt het?
3. functie/structuur (bekend) -> omgeving (onbekend)
centrale vraag: wat heeft het in zijn omgeving nodig?
Ik zal nu van elk van de drie inhoudelijke varianten een voorbeeld geven.
1. structuur/omgeving –> functie:
Wat is de functie van lampje van de ponyvis?
Er bestaat een bijzonder visje, het ponyvisje, dat leeft in vrij donker water, en
een lampje heeft aan de buikzijde. Dit lampje schijnt alleen overdag.
Waarvoor zou dit lampje nu dienen? Je zou misschien denken dat het visje het
gebruikt om bijvoorbeeld soortgenoten of zijn prooi beter te kunnen zien.
Daarvoor is het lampje echter niet geschikt omdat het maar heel zwakjes
schijnt en bovendien aan de buikzijde zit. Zou het lampje de ponyvisje kunnen
beschermen tegen roofvissen? Roofvissen kunnen de ponyvis normaal
gesproken niet goed zien omdat het vrij donker water is. Maar roofvissen
kunnen de ponyvis in principe makkelijk opmerken als ze onder de ponyvis
doorzwemmen. Bij het minste licht van boven zien ze namelijk de schaduw (het
silhouet) van de ponyvis tegen dit licht bewegen. Behalve als dit silhouet
wordt uitgewist door een verlichte buik! Voor deze functie zit het lampje op de
juiste plaats en is het haar schijnsel niet te zwak. Om na te gaan of het lampje
inderdaad een silhouet van de vis zou kunnen uitvlakken zou je de ponyvis in
een aquarium kunnen plaatsen in een donkere kamer. Zijn licht zou dan uit
moeten zijn. Als je nu een zwak lichtje boven het aquarium ontsteekt zou de vis
ook zijn ‘lampje’ moeten aandoen en zou het silhouet onder hem volledig
moeten worden uitgewist.
2. functie/omgeving -> structuur
Hoe werken onze ogen?
Ogen hebben we nodig om ons te oriënteren op de wereld om ons heen. Een
eenvoudige manier van oriëntatie kan al plaatsvinden met behulp van een
lichtgevoelig organel, zoals we dat vaak aantreffen bij eencelligen, zoals b.v.
het oogdiertje. Met dit organel kan echter niet goed worden bepaald waar het
licht vandaan komt. Nu is dit voor oogdiertjes niet zo'n probleem maar voor
ons wel. Slakken ondervangen dit probleem door een aantal lichtgevoelige
cellen in een kommetje plaatsen. Dit is een stap vooruit, maar als wij de ogen
van een slak zouden hebben, zouden we niet in staat zijn een scherp beeld te
vormen van onze omgeving. Dit kan worden gerealiseerd door het kommetje
zo ver te krommen dat het licht slechts door een kleine gaatje naar binnen kan,
zoals bij het raadselachtige weekdier nautilus. Maar als de opening kleiner
2
wordt het beeld niet alleen scherper, maar ook donkerder. Bij ons oog wordt
dit probleem opgelost door een lens te plaatsen achter de relatief grote
opening.
3. structuur/functie -> omgeving
Wat heeft een vos in zijn omgeving nodig?
Een vos moet onder meer eten, daarvoor heeft hij in zijn omgeving onder
andere konijnen nodig. Maar dit konijn moet zelf ook weer kunnen eten. Hij
eet onder meer bladeren van de paardebloem. Maar waar leeft de
paardebloem dan weer van? Deze heeft op zijn beurt weer lucht, zonlicht,
water en heel eenvoudige stoffen uit de grond (mineralen) nodig om te kunnen
overleven. Waar haalt nu de paardebloem de mineralen vandaan? Deze
mineralen kunnen worden ontleend aan resten van dode planten en dieren.
Maar een plant kan niet zelf deze mineralen vrijmaken uit planten- en
dierenresten. Bacteriën en schimmels kunnen dit wel. Zij kunnen hun
benodigde energie en stoffen voor de groei onttrekken aan planten- en
dierenresten. Als afval produceren zij mineralen. Deze vrijgemaakte
mineralen kunnen weer worden opgenomen door de paardebloem
2. Leervarianten van ontwerpend leren
Ik maak hier een onderscheid in drie typen onderwijs: overdrachts-, activerend en
ontdekkend onderwijs. In het overdrachtsonderwijs wordt kennis aangeboden door
docent of het schoolboek. Bij activerend onderwijs wordt deze kennis ook
hoofdzakelijk aangeboden door de docent en/of schoolboek, maar worden leerlingen
middels opdrachten gestimuleerd deze kennis actief te verwerken. In ontdekkend
onderwijs daarentegen wordt veel van de kennis door leerlingen zelf ontdekt.
Ontwerpend leren kan nu in elke onderwijsvorm worden ingezet.
Overdrachtsvarianten
Omdraaien volgorde behandeling
In het biologieonderwijs wordt leerlingen vaak eerst iets verteld over de structuur en
daarna pas over de functie. Leerlingen wordt bijvoorbeeld eerst verteld hoe een
penwortel eruit ziet en hoe deze is opgebouwd en daarna leren ze pas waarvoor zo’n
wortel dient. Voor leerlingen is het echter de structuur veel gemakkelijker te begrijpen
als ze eerst de functie van een structuur leren kennen. Met de onderstaande tekstjes
over bloedstolling wil ik dit illustreren. In eerste stukje wordt eerst het proces verteld
en daarna de functie. In het tweede stukje wordt eerst de functie verteld en wordt
daarna pas ingegaan op het proces dat hiervoor verantwoordelijk is.
Als je een wondje hebt komen er onder meer stollingsfactoren vrij in je bloed die er
voor zorgen dat protrombine wordt omgezet in trombine. Trombine op zijn beurt
zorgt er weer voor dat fibrinogeen wordt omgezet in fibrine. Fibrine is een
draadvormig eiwit waarmee het wondje wordt 'afgeplakt'.
3
Als je een wondje hebt moet dit zo snel mogelijk worden gedicht. Dat gebeurt door
een netwerk van draden van fibrine. Deze draden mogen echter alleen aanwezig zijn
als er een wondje is, anders zou het bloed altijd stollen. De draden komen dan ook
voor in een opgeloste vorm (fibrinogeen) en worden door een stofje (trombine)
omgezet in een onoplosbare draden (fibrine). Het stofje trombine wordt zelf pas
gevormd door het vrijkomen van stoffen bij verwonding.
(zie voor een functie-eerst benadering ook oriëntatie op het hart blz. 221 deel 1
NVOX artikel). De functie-eerst benadering is niet alleen van belang voor een
behandeling van een specifiek lesonderwerp maar ook voor inrichting van een gehele
lessenserie. Ik geef hiervan een voorbeeld voor behandeling van wortels, stengels en
bladeren van planten in deel 2 van NVOX artikel blz. 298.
Vraaggestuurd overdragen
De functie van een structuur kan worden beschouwd als een probleem dat het
organisme moet oplossen. Door functies nu te herformuleren in problemen die een
organisme moet oplossen kunnen leerlingen gemakkelijker meedenken met het
verhaal dat hen wordt voorgeschoteld. Met de voorbeelden die ik eerder gaf van de
drie inhoudelijke varianten werd dit eigenlijk al geïllustreerd Ik zal hieronder nog een
voorbeeld geven van een functie/omgeving->structuur variant (zie ook orientatie op
het hart NVOX deel 1 blz. 221). In deel 2 van het NVOX artikel op blz. 297 worden
ook tips gegeven hoe je een bestaand verhaal kan opbouwen tot een meer
vraaggestuurd verhaal.
Sommige bacteriën kunnen ons ziek maken. Hoe kunnen we er nu voor zorgen
dat we niet ziek worden? Een manier is door ze buiten ons lichaam te houden.
We doen dat door bijvoorbeeld riolen aan te leggen, handen te wassen etc.
Maar ook door bijvoorbeeld ons lichaam af te sluiten middels onze huid.
Helaas is dit echter niet afdoende. Er kunnen bijvoorbeeld bacteriën
binnenkomen als je bijvoorbeeld een wondje hebt. Hoe kun je nu die
binnengedrongen ziekteverwekkers onschadelijk maken? Je zou ze
bijvoorbeeld kunnen opeten met bepaalde eetcellen. Dit gebeurt ook. Maar dit
heeft wel een nadeel. Deze eetcellen kunnen in principe ook cellen en stoffen
van je eigen lichaam opeten. Hoe kan dat nu worden voorkomen? Daarvoor is
het van belang dat eetcellen herkennen wat ze eten. Maar wat moeten ze
herkennen en hoe gaat dat in zijn werk?etc. etc.
Activerende varianten van ontwerpend leren
Het idee van functionaliteit kan ook worden gebruikt om reeds aangeboden stof
leerstof dieper te verwerken. Ervaring leert dat één vraag daarbij heel goede diensten
kan bewijzen:
Wat is het nadeel als de structuur (proces/gedrag) ontbreekt?
Leerlingen worden met andere woorden gestimuleerd na te gaan of het systeem niet wat
eenvoudiger zou kunnen. Twee voorbeelden.
Een leerling heeft geleerd dat het hart bestaat uit twee harthelften. Wat zou het
nadeel zijn als één harthelft zou ontbreken en alle bloedvaten op één harthelft
4
zouden uitkomen? In dit geval zou zuurstofrijk bloed uit de longen worden
gemengd met zuurstofarm bloed uit de rest van het lichaam. Dit heeft als nadeel
dat de zuurstofconcentratie van zuurstofrijk bloed daalt waardoor cellen
uiteindelijk minder zuurstof krijgen. De aanwezigheid van twee harthelften zorgt
er dus o.a. voor dat zuurstofarm en zuurstofrijk bloed gescheiden blijven.
De leerling heeft ook geleerd dat de rechter harthelft bestaat uit een kamer en
boezem. Wat zou het nadeel zijn als de boezem zou ontbreken? In dit geval zou
de kamer langzaam en onvolledig vullen, omdat de bloeddruk in de aders erg
laag is en de aanzuigende werking van de kamer beperkt is. Hierdoor kan er
(steeds) minder bloed per tijdseenheid worden rondgepompt. De boezem zorgt er
nu voor dat bloed wordt aangezogen en vervolgens in de kamer wordt geperst.
Hierdoor wordt de kamer snel en volledig gevuld.
Deze voorbeelden laten zien het stellen van de vraag 'wat is het nadeel is als het
betreffende onderdeel ontbreekt?' leidt tot beter inzicht in de functie en werking van
onderdelen van een biologisch systeem. Bovendien wordt kennis over het systeem in
verband gebracht met kennis van de omgeving van het systeem (i.c. de bloedsomloop).
Het kan zijn dat het stellen van deze vraag niet meteen leidt tot een antwoord, maar tot
nieuwe vragen. Een leerling kan antwoorden op deze vragen krijgen door de tekst
opnieuw te raadplegen (stap 2) of deze vragen voor te leggen aan medeleerlingen of de
docent. Zie voor meer voorbeelden, voor nadere toelichting op het gebruik, en voor
uitbreidingen van deze vraagstrategie ten behoeve van activerend biologieonderwijs:
NVOX-artikel deel 3 blz. 337-338.
Ontdekkende varianten
Ontwerpend leren is oorspronkelijk ontwikkeld om ontdekkend leren in het
biologieonderwijs mogelijk te maken. De stap van de vraaggestuurde overdrachtsvarianten van ontwerpend leren naar een ontdekkende variant is niet groot.
In een vraaggestuurde variant worden immers leerlingen al middels problemen/vragen
ingeleid in een bepaald biologisch systeem. Belangrijk verschil met de ontdekkend
variant is dat bij de overdrachtsvariant de docent zelf de antwoorden geeft op de
vragen. In een ontdekkend variant worden leerlingen zelf in toenemende mate
betrokken bij het bedenken van antwoorden en nieuwe vragen. Zo kan de
vraaggestuurd opgebouwde leerstof die in de onderstaande tabellen over hart en
immuunsysteem is weergegeven (beide functie/omgeving -> structuur variant), zowel
in overdrachtsvorm als in ontdekkende vorm worden onderwezen.
Systeem : Immuunsysteem
Functie : Binnengedrongen ziekteverwekkers onschadelijk maken
Ontwerpprobleem
Oplossing
Nadeel
1.hoe kunnen binnengedrongen
bacteriën onschadelijk worden
gemaakt?
1. een 'eetcel' die bacteriën opeet
(macrofaag)
1. kan ook eigen lichaamsmateriaal
opeten
5
2. hoe kan onderscheid worden gemaakt tussen lichaamseigen
materiaal en ziekteverwekkers?
3. hoe kan voor ieder antigeen een
aparte receptor worden aangemaakt?
2a. herkenning van lichaamseigen
materiaal: lichaamseigen materiaal
heeft een soort merkstof aan buitenkant die door macrofaag kan
worden gebonden (middels een receptor) als hij bindt wordt het materiaal niet opgegeten
2a.
- bacterie kan merkstof imiteren
- als de receptor op de macrofaag
verandert dan herkent de cel
lichaamseigen materiaal niet meer.
Dit is fataal. (X)
2b. herkenning ziekteverwekker:
ziekteverwekker draagt merkstof
(antigeen) aan het oppervlak. Indien de receptor van een macrofaag aan antigeen bindt dan
wordt dit opgegeten.
2b. bacteriën en virussen dragen
allemaal verschillende antigenen
waar weer aparte receptoren voor
moeten worden aangemaakt.
3a. receptor vormt zich om het
antigeen heen (instructiemechanisme)
3a.
- receptor kan dan ook binden aan
lichaamseigen materiaal.
- is niet mogelijk omdat receptor
eiwit is waarvan de vorm al van te
voren in genoom is vastgelegd
(X)
3b. er worden een heleboel
verschillende receptoren voor het
contact met het antigeen aangemaakt dan is er altijd wel een bij
die
past
(variatieselectiemechanisme
Systeem:
hart
Functie:
bloedcirculatie
Ontwerpprobleem
1. hoe bloed circuleren in het
bloedvatenstelsel?
Eenvoudige oplossing
1. een ader die samenknijpt
2. hoe er voor zorgen dat het bloed
één richting op stroomt?
2. ader voorzien van kleppen
3. hoe kan worden voorkomen dat
vermenging optreedt?
3. de ader in
verdelen
4. hoe kan de druk worden
verhoogd?
4.
bloed
in
aan
apart
compartiment eerst aanzuigen
(dit resulteert in een ader
bestaande
uit
vier
compartimenten)
3b. moet voor alle verschillende
antigenen een gen klaar hebben
liggen
Nadeel
1. bloed
opstromen
kan
twee
kanten
2. zuurstofrijk bloed van de longen
en zuurstofarm bloed uit rest van
het lichaam worden vermengd
twee helften
3. de druk die kan worden
opgebouwd is beperkt omdat de
ader eerst moet vollopen voordat
bloed kan worden weggepompt
De mate van vrijheid die leerlingen krijgen bij het ontwerpen kan hierbij geleidelijk
aan worden opgevoerd. Je kunt bijvoorbeeld beginnen met de vraag te stellen en
leerlingen uit twee of meerdere antwoordmogelijkheden te laten kiezen. Een stap
verder is door leerlingen de vraag voor te leggen en ze hier middels
onderwijsleergesprek (zie NVOX deel 2) of in groepjes zelf een antwoord te laten
6
bedenken. Weer een stap verder is dat leerlingen ook zelf de vervolgvraag formuleren
en daar ook weer een antwoord voor gaan zoeken. Alle drie de inhoudelijke varianten
(functie/structuur -> omgeving; functie/omgeving -> structuur; structuur/omgeving ->
functie) zijn geschikt voor een dergelijke ontdekkend aanpak, waarin leerlingen
geleidelijk steeds meer zelf de vragen gaan stellen en antwoorden gaan formuleren.
Voor meer informatie, voorbeelden, uitwisselen van ervaringen etc. over vraaggestuurd
leren met perspectieven in het algemeen of ontwerpend leren in het bijzonder kunt u mij
mailen:
[email protected].
7