Wat valt er te zeggen over de integratie van evolutionaire concepten

Evolutionair denken in biologie
methodes
de ontwikkeling van een toetsingsinstrument
Marieke Nijzink
Pieter Mesman
Sander van der Weijden
Begeleiders: Klaas van Hees & Alice Veldkamp
Universiteit Utrecht, juli 2010
Samenvatting
Voor een biologiedocent kan evolutionair denken zorgen voor samenhang en
begripsontwikkeling. Er zijn grote verschillen te vinden tussen het voorkomen van
evolutionair denken in de meest gebruikte methodes biologie in Nederland. In Biologie
interactief komen in de tekst en werkboeken de meeste evolutionaire concepten naar voren,
dit is een keer zo veel als bij Nectar en 7 maal zo veel als bij Biologie voor jou, de meest
gebruikte methode. Bij evolutionair denken is het van belang zo veel mogelijke onderwerpen
op deze manier te behandelen en hierbij alle niveaus te betrekken (molecuul & cel, organisme
& populatie, omgeving en tijd). Niet alleen de gebruikte methode is van belang, maar ook
voor de docent ligt een belangrijke docent weggelegd bij het aanbieden van evolutionair
denken met voldoende kwantiteit en kwaliteit.
Auteurs
Marieke Nijzink – [email protected]
Pieter Mesman - [email protected]
Sander van der Weijden - [email protected]
Introductie
Het belang van evolutie voor onderwijzers is door Dobzhansky (1973) duidelijk gemaakt met
de inmiddels legendarische zin: ‘Nothing in biology makes sense except in the light of
evolution’. Evolutie door natuurlijke selectie vertelt namelijk niet alleen de geschiedenis van
het leven op aarde. Het geeft een wetenschappelijke basis voor de enorme diversiteit aan
levensvormen, maar verklaart ook de systematische gelijkenissen in anatomie en moleculaire
chemie die binnen deze diversiteit worden gevonden. Veel biologische disciplines houden
zich bezig met functies; adaptaties aan de biotische en of abiotische omgeving. Hierdoor
vormt evolutie een belangrijke basis voor andere biologische gebieden zoals moleculaire
biologie, gedragsbiologie, ontwikkelingsbiologie, fysiologie en ecologie. Ook is het van
belang voor vele andere disciplines zoals psychologie, geneeskunde en antropologie.
(Meagher & Futuyma, 2001). Evolutie kan worden gezien als een raamwerk waarin je de
meeste biologische kennis coherent kan inpassen (AAAS, 2006), hierdoor kan het de
begripsontwikkeling van verschillende thema’s binnen de biologie ondersteunen (Fail, 2008).
Daarnaast is evolutionair denken is een vorm van formeel operationeel denken, Piagets laatste
fase van de cognitieve ontwikkeling. Evolutionair denken is een manier van denken waarbij
biologische fenomenen en processen verklaard kunnen worden met behulp van evolutie.
Hierbij is kennis nodig over hoe de evolutie werkt op molecuul en cel niveau, organisme en
populatie niveau, omgeving niveau en tijd niveau.
Het lijkt dus belangrijk om evolutie niet alleen als onderdeel van de biologie in het onderwijs
te zien, maar als zijn fundatie (Fail, 2008). Het onbekend of en in hoeverre evolutionair
denken op dit moment wordt geïntegreerd in de verschillende thema’s binnen de Nederlandse
lesmethoden biologie. Volgens Meagher & Futuyma (2001) heeft evolutie biologie ondanks
zijn belang in de verschillen de levenswetenschappen nog geen hoge prioriteit binnen de
educatieve curricula. Ook wordt het evolutionair denken niet altijd even goed onderwezen
(Tidon & Lewontin, 2004) en worden sommige belangrijke concepten overgeslagen in de
leerboeken (AAAS, 2006). Verwacht wordt dan ook dat evolutie biologie alleen geïsoleerd
wordt aangeboden en dat het evolutionair denken buiten het thema evolutie nauwelijks
terugkomt in de lesmethoden. Maar pas wanneer dit exact bekent is kan worden gestart met
de ontwikkeling van lessen en methoden waarin evolutionair denken als fundatie wordt
gezien en gebruikt.
Om dit te onderzoeken is gekeken naar het voorkomen van evolutionair denken in de drie
meest gebruikte biologie methoden in Nederland: Biologie voor jou, Nectar en Biologie
interactief. Hierbij zijn de volgende onderzoeksvragen opgesteld:
1.Op wat voor manier komt evolutionair denken terug in de verschillende onderwijsmethoden
voor biologie van de bovenbouw?
a. Welke concepten horen bij evolutionair denken
b. Welke verbindingen tussen de concepten horen bij ‘evolutionair denken’
c. Komen deze concepten/verbindingen terug in de overige thema’s
d. Worden deze concepten/verbindingen expliciet of impliciet behandeld
e. Moeten deze concepten/verbindingen worden toegepast door de leerlingen
(toepassingsopgaven)
2.Wat zijn de verschillen tussen de methodes in de manier waarop evolutionair denken terug
komt ?
3.Welk advies kunnen we de makers van de methoden meegeven om het evolutionair denken
beter terug te laten komen?
Materiaal en Methode
Lesmethoden
Er is in dit onderzoek gekeken naar het voorkomen van evolutionair denken in de drie meest
gebruikte lesmethoden biologie voor de bovenbouw van het VWO (Tekstboek +
Werkboek).Volgens een onderzoek onder biologie docenten zijn dit: Biologie voor jou
(marktaandeel 50%), Nectar (33%) en Biologie interactief (7%) (Malmberg, 2007). Voor dit
onderzoek zijn de meest recent drukken gebruikt (resp. 2009, 2006 en 2008).
Om een goede vergelijking te kunnen maken tussen
verschillende lesmethoden zijn er 12 hoofdonderwerpen
opgesteld: Afweer, Bloedsomloop, Celbiologie, DNA & eiwit
synthese,
Ecologie,
Energie,
Erfelijkheid,
Gedrag,
Homeostase, Seksualiteit en voortplanting, Voeding en
vertering en Zenuwstelsel. De hoofdstukken van de
biologiemethoden zijn verdeeld onder deze onderwerpen.
Sommige onderwerpen bevatten dus meerder hoofdstukken uit
een methode. Het hoofdstuk evolutie zelf is buiten
beschouwing gelaten, het gaat immers om het gebruik van
evolutionair denken juist bij ander onderwerpen.
Analyse instrument: conceptmap
Als instrument om de methoden te onderzoeken op voorkomen
van evolutionair denken is als eerste een conceptmap
opgesteld met de belangrijkste begrippen (concepten) en
verbindingen (proposities). Deze conceptmap is opgesteld
door gebruik van (AAAS, 2006). De conceptmap is door alle
onderzoekers afzonderlijk getest op hetzelfde hoofdstuk en
daarna aangepast. Dit om te zorgen voor een zo goed
mogelijke conceptmap en een vergelijkbare manier van scoren
bij de onderzoekers.
De conceptmap is verdeeld in 4 verschillende domeinen.
Molecuul en cel niveau (oranje), Organisme en populatie
niveau (paars), Omgeving niveau (aqua) en Tijd niveau (geel).
Scoren evolutionair denken
Bij het scoren is gekeken naar het voorkomen van concepten die belangrijk zijn voor
evolutionair denken. Daarbij werd een concept alleen meegeteld als in die alinea in ieder
geval ook een concept uit het domein Organisme en populatie en/of Tijd werd gebruikt (in
deze domeinen staan de hoofdconcepten voor evolutie). Een concept als ‘DNA’ dat alleen
geïsoleerd wordt aangeboden stimuleert het evolutionair denken namelijk niet. Er is zowel
gekeken naar concepten in de tekst als in de vragen, bovendien is onderscheid gemaakt tussen
het expliciet (concept wordt letterlijk genoemd) en impliciet (niet genoemd maar wel
omschreven) gebruiken van de concepten. De zinnen/alinea’s waarin evolutionair denken
naar voren komt zijn genoteerd. Wanneer een concept in een alinea meer dan 1 maal
voorkomt is dit slechts als een maal gescoord. Wanneer later in het hoofdstuk hetzelfde
concept nogmaals naar voren komt is deze wel opnieuw gescoord.
Analyse
Er is gekeken naar het aantal keren dan een concept voorkomt, dit is weergegeven in de
conceptmap. Deze zijn scores zijn onderverdeeld in vier categorieën. Niet (dit concept komt
in de hele lesmethode niet voor), weinig (het concept komt 1-8 maal voor), midden (het
concept komt 9-17 maal voor) en veel (het concept komt ≥ 18 maal voor). Deze gegevens
worden visueel uitgebeeld in een conceptmap per methode. Daarnaast zijn de concepten
onderverdeeld in de domeinen en is gekeken hoeveel concepten per domein voorkomen bij de
verschillende hoofdstukken. Dit wordt getoond in tabellen en diagrammen. Omdat er ‘slechts’
3 methoden zijn getoetst is een statistische analyse niet mogelijk.
Resultaten
De resultaten van de gescoorde concepten binnen de domeinen zijn te vinden in tabel 1.
De concepten gescoord binnen de onderwerpen staan in tabel 2.
Nectar
Biologie interactief
Totaal
Nectar
In Nectar (126) zijn ongeveer de helft
van het aantal concepten gescoord
vergeleken met Biologie interactief. De
belangrijkste onderwerpen bij Nectar
zijn: Ecologie (48), Seksualiteit &
voortplanting (39), DNA & eiwit
synthese (19), Erfelijkheid (11) en
Gedrag (6). Ook hier zijn de concepten
uit het domein organisme en populatie
niveau (89) het meest gescoord.
Molecuul en cel niveau (18) net iets
vaker dan de domeinen tijd niveau (10)
omgeving niveau (9).
Biologie voor jou
Biologie interactief
Van de drie methoden zijn in Biologie interactief de meeste concepten gescoord (245). De
belangrijkste onderwerpen zijn: Ecologie (84), Gedrag (42), Homeostase (37), Seksualiteit &
voortplanting (26) en Erfelijkheid (19). De gescoorde concepten komen vooral uit het domein
organisme en populatie niveau (143). Daarna zijn de domeinen tijd niveau (42) en omgeving
niveau (45) evenveel vertegenwoordigd. Van het domein molecuul en cel niveau (15) zijn de
minste concepten gescoord.
16
89
143
248
molecuul en cel niveau
8
18
15
41
tijd niveau
5
10
42
57
omgeving niveau
6
9
45
60
35 126
245
406
Domeinen
organisme en populatie niveau
Totaal
Tabel 1. Op domein gescoorde concepten per methode
Biologie interactief
Biologie voor jou
Nectar
11
0
0
2
0
0
0
4
3
4
14
19
Tabel 2. Op onderwerp gescoorde concepten per methode
84
13
48
2
0
0
19
0
11
42
4
6
37
0
0
26
0
39
7
0
0
11
0
0
Totaal
Zenuwstelsel
Voeding en vertering
Seksualiteit en voortplanting
Homeostase
Gedrag
Erfelijkheid
Energie
Celbiologie
Afweer
Bloedsomloop
Onderwerpen
Ecologie
DNA & eiwit synthese
Biologie voor jou
In Biologie voor jou (35) zijn de minste concepten gescoord. De onderwerpen waar deze
concepten naar voren komen zijn: DNA & eiwit synthese (14), Ecologie (13), Gedrag (4) en
Celbiologie (4). Uit het domein Organisme en populatie niveau (16) zijn de meeste concepten
gescoord. De rest van de concepten zijn gelijk verdeeld over de domeinen met molecuul en
cel niveau (8), tijd niveau (5) omgeving niveau (6).
245
35
126
Biologie voor Jou
Nectar
Biologie interactief
1
DNA & eiwitsynthese (14)
Ecologie (48)
Ecologie (84)
2
Ecologie (13)
Seksualiteit & voortplanting (39)
Gedrag (42)
3
Gedrag (4)
DNA & eiwitsynthese (19)
Homeostase (37)
4
Celbiologie (4)
Erfelijkheid (11)
Seksualiteit & voortplanting (26)
5
-
Gedrag (6)
Erfelijkheid (19)
Tabel 3. Top 5 onderwerpen met evolutionaire concepten per methode (aantal gescoorde concepten)
Voorkomen van concepten
Expliciet/impliciet, tekst/vragen
De concepten komen in Biologie interactief ongeveer even vaak voor in de tekst (134) als in
de vragen (111), de concepten worden 168 keer expliciet genoemd en komen 77 keer
impliciet naar voren (zie tabel 4). Bij Nectar komen de concepten tweederde van de tijd in de
tekst (95) voor en voor één kwart (31) in de vragen. De verhouding expliciet (89)/impliciet
(37) voorkomen van de concepten is ongeveer 70%/30%. Bij Biologie voor jou komen de
concepten alleen voor in de tekst en niet in de vragen 80% van de concepten worden expliciet
(28) genoemd, 20% impliciet (7).
tekst
vragen expliciet impliciet
134
111
168
77
Biologie voor jou
35
0
28
7
Nectar
95
31
89
37
Biologie interactief
Tabel 4. Voorkomen van concepten in tekst of vragen, expliciet of impliciet per methode
Conceptmaps per methode
Naast dat er gekeken is of een concept impliciet of expliciet wordt genoemd in een methode,
is er ook gekeken hoe vaak een concept voor komt. Dit is gevisualiseerd door middel van een
conceptmap per methode (fig. 2 t/m 4). Een leeg veld in de conceptmap betekent dat dit
concept niet wordt genoemd met betrekking tot evolutionair denken. De dikte van de
stippellijnen geven aan of een concept weinig (minder dan 8), gemiddeld (tussen 7 en 18) of
veel (meer dan 17) voorkomt in de methode.
Biologie interactief
In Biologie interactief komen de concepten crossing-over en fenotype niet voor. Daarnaast
komen de concepten overlevingssucces, voordelige eigenschappen en omgeving veel voor.
Nectar
Bij nectar komen de concepten genen, genotype, fenotype, competitie, omgeving, tijd,
extinctie, biodiversiteit niet voor. Daarnaast komen de concepten variatie, populatie,
natuurlijke selectie, overlevingssucces nakomelingen en voordelige eigenschappen gemiddeld
voor.
Biologie voor Jou
In Biologie voor jou komen de concepten genen, DNA, fenotype, omgevingsfactoren,
voordelige eigenschappen, seksuele selectie, fitness, biodiversiteit, soortvorming en tijd niet
voor. Daarnaast komen alle overige concepten weinig voor.
Figuur 2: concept map van biologie voor jou
Figuur 3: concept map van nectar
Figuur 3: concept map van biologie interactief
Discussie en conclusie
In dit onderzoek is gekeken naar het voorkomen van evolutionair denken in de lesmethoden
biologie voor de bovenbouw van het VWO. Het blijkt dat er grote verschillen tussen de
methoden zijn. Als je kijkt naar het totaal aantal concepten in de hele methode genoemd
wordt dan is dat het hoogst in Biologie interactief (245). Dit is twee maal zoveel als Nectar
(126) en 7 maal zoveel als Biologie voor jou (35). Bij Biologie interactief komt de helft van
de concepten (111) terug in het werkboek. Leerlingen moeten evolutionair denken dus ook
toepassen in de opgaven, waardoor evolutionair denken extra wordt gestimuleerd. Bij Nectar
komt een kwart (31) van de concepten voor in de vragen en bij biologie voor jou is er geen
enkele opgave waarin evolutionaire concepten naar voren komen, duidelijk minder stimulans
voor de leerling om het evolutionair denken te ontwikkelen. Het percentage expliciete
concepten (hierbij worden de concepten dus heel duidelijk naar de leerlingen
gecommuniceerd) verschilt niet veel tussen de methoden, 70% voor Biologie interactief en
Nectar en 80% voor Biologie voor jou.
Evolutie omvat verschillende niveaus, deze zijn uitgedrukt in de 4 verschillende domeinen
(Molecuul en cel niveau, Organisme en populatie niveau, Omgeving niveau en Tijd niveau).
Hoe meer domeinen er binnen een onderwerp worden gebruikt, hoe beter de link met alle
aspecten van evolutie. Bij alle methoden komen de meeste concepten uit het domein
organisme en populatie niveau. Biologie interactief heeft van de 3 methoden de beste mix van
domeinen, al mist het concepten op molecuul en cel niveau. Bij Nectar is dat domein beter
aanwezig, maar zijn de domeinen tijd niveau en omgeving niveau slecht vertegenwoordigd.
Bij alle methoden komen de concepten vooral uit aan het onderwerp gelinkte domein.
Bijvoorbeeld omgeving niveau bij ecologie of molecuul en cel niveau bij DNA &
eiwitsynthese.
De concepten die door de verschillende methodes als belangrijk worden gevonden verschillen
van elkaar. Bij Biologie interactief, die het grootst aantal concepten heeft, wordt de focus
gelegd op overlevingssucces, voordelige eigenschappen en de omgeving. Hierbij kan
evolutionair denken gestimuleerd worden omdat de domeinen "individu & populatie niveau"
en "omgeving niveau" worden gekoppeld. Ook in Nectar worden deze concepten genoemd. In
Biologie voor jou worden deze concepten niet genoemd, overlevingssucces en de omgeving
komen weinig voor, en het concept voordelige eigenschappen komt helemaal niet voor.
Daarnaast worden de concepten crossing-over en fenotype in Biologie interactief in zijn
geheel niet genoemd. Hierdoor wordt de link met "molecuul en cel niveau" niet gemaakt en
wordt evolutionair denken niet echt gestimuleerd. In zowel Nectar als Biologie voor jou
wordt het concept crossing-over wel genoemd, maar ook in deze methoden ontbreekt het
concept fenotype. In Nectar en Biologie voor jou missen veel concepten in het domein Tijd
niveau in vergelijking met Biologie interactief, waardoor het evolutionair denken op dit
niveau niet wordt gestimuleerd.
Biologie interactief geeft de grootste mogelijkheid tot ontwikkeling van evolutionair denken
bij leerlingen. Alle domeinen worden gebruikt en in veel verschillende hoofdstukken komen
de evolutionaire concepten terug. Bij Nectar komen de evolutionaire concepten vooral voor
bij de onderwerpen Ecologie, Seksualiteit & Voortplanting en DNA & Eiwitsynthese. (zie
tabel 3) Biologie voor jou stimuleert het evolutionaire denken niet tot nauwelijks.
Hierbij moet wel een duidelijke kanttekening geplaatst worden. In dit onderzoek is alleen
gekeken naar de kwantiteit; hoe vaak komen de concepten voor en uit welke domeinen komen
deze concepten. Daarom kan dit onderzoek niet worden gebruikt om te bepalen of leerlingen
hiermee daadwerkelijk de vaardigheid ‘evolutionair denken’ ontwikkelen.
Vervolg onderzoek zou meer kwalitatief op het aanbod van evolutionair denken kunnen
ingaan en op de leeropbrengst bij leerlingen. Bij kwalitatief onderzoek kan bijvoorbeeld
onderscheid gemaakt worden tussen hoe evolutie plaats vindt en wat het resultaat van evolutie
is. Of leerlingen met deze methoden leren evolutionair denken is niet onderzocht.
De conceptmap kan nog worden uitgebreid met begrippen als ‘toeval’ en ‘drift’, niet alle
verandering is namelijk aanpassing.
Als je het als docent belangrijk vindt dat leerlingen de vaardigheid ‘evolutionair denken’
ontwikkelen, is van deze drie methoden Biologie interactief het meest aan te raden. Hierbij
worden evolutionaire concepten aan diverse onderwerpen gekoppeld. Ook Nectar legt bij
sommige onderwerpen de link met evolutie. Biologie voor jou doet dit niet. Bij evolutionair
denken zijn alle vier de domeinen belangrijk. Voor de docent ligt dus een belangrijke rol
weggelegd in het aanbieden van evolutionair denken met voldoende kwantiteit en kwaliteit en
is het van belang om voor aanvulling te zorgen waar de methode te kort schiet.
Dankwoord
Onze dank gaat uit naar Klaas van Hees en Alice Veldkamp. Klaas van Hees voor de
enthousiaste introductie met het onderwerp, de vele achterliggende kennis en de sturing
tijdens het onderzoek. Alice Veldkamp voor de begeleiding van het proces en de feedback op
het artikel.
Literatuur
AAAS (Project 2061), 2006, Evolution on the Front Line: An Abbreviated Guide for
Teaching Evolution, Chapter 5: The Living Environment.
Dobzhansky, T., 1973. Nothing in biology makes sense except in the light of evolution.
American Biology Teacher, 35(3), 125-129.
Fail, J., 2008, A No-Holds-Barred Evolution Curriculum for Elementary and Junior High
School Students, Evo Edu Outreach 1:56–64
Malmberg, T., 2007, Biologie voor jou nummer 1, Bionieuws (8 sept 2007), jaargang 16.
Meagher, T.R. & D. J. Futuyma, 2001, Evolution, Science and Society, The American
Naturalist, Vol. 158, No. 4.
Tidon, R. & R. C. Lewontin, 2004, Teaching evolutionary biology, Genetics and Molecular
Biology, 27, 1,124-131