Inspiratiegids voor een kwaliteitsvolle vakdidactiek
advertisement
1 Inspiratiegids voor een kwaliteitsvolle vakdidactiek Natuurwetenschappen in de Lerarenopleiding secundair onderwijs door Linda Clijmans, Els De Smet, Renaat Frans, ,Filip Poncelet, Laura Tamassia , Katrien Vyvey Dit werk is gelicenseerd onder de licentie Creative Commons Naamsvermelding-NietCommercieelGeenAfgeleideWerken 3.0 Unported. Ga naar http://creativecommons.org/licenses/by-ncnd/3.0/deed.nl om een kopie van de licentie te kunnen lezen . 2 Bestaat er een vakdidactiek natuurwetenschappen, die fysica, biologie en chemie kan verbinden? Hoe zou een kwaliteitsvolle vakdidactiek natuurwetenschappen eruit kunnen zien? Wat verbindt biologie, fysica en chemie? Wat onderscheidt ze? Leidt de integratie tot natuurwetenschappen tot betere leerresultaten inzake wetenschappelijke geletterdheid? Verdwijnt de eigenheid van de vakdidactieken biologie, fysica en chemie in een grote vakdidactiek natuurwetenschappen of blijven ze elk herkenbaar in het geheel? 3 Aanleiding Natuurwetenschappen komt als vak in het secundair onderwijs voor als een clustering van fysica, chemie en biologie in richtingen met ‘wetenschappelijke geletterdheid’ als hoofddoelstelling. De clustering tot natuurwetenschappen biedt pedagogische en inhoudelijke kansen, maar de situatie is ook problematisch, omdat zulk een vakdidactiek zich op het spanningsveld bevindt tussen gemeenschappelijkheid en eigenheid van de disciplines. Een vakdidactische traditie om daarmee om te gaan ontbreekt grotendeels in tegenstelling tot die van de vakken apart. Voorliggend project wil inspelen op deze problematiek en aanzetten geven voor een vakdidactische ontsluiting voor natuurwetenschappen, bruikbaar voor de specifieke situatie van de geïntegreerde lerarenopleidingen. Centrale Vragen Kunnen we een aantal kenmerken uitwerken waaraan een goede vakdidactiek natuurwetenschappen dient te voldoen? Kunnen deze kwaliteitskenmerken in praktijkvoorbeelden verduidelijkt worden? Hoe kan zo een vakdidactiek vorm krijgen in de geïntegreerde lerarenopleiding? “Inspiratiegids voor een kwaliteitsvolle vakdidactiek Natuurwetenschappen in de lerarenopleiding’ De contouren van een kwaliteitsvolle vakdidactiek ontwerpen, geldig voor élke natuurwetenschap in hun eigenheid maar ook in hun gemeenschappelijkheid, is niet evident. Een interdisciplinair projectteam werd samengesteld met twee biologen, één chemicus en drie fysici. Het project kreeg vorm binnen het expertisenetwerk van School of Education Associatie K.U.Leuven en liep van september 2011 tot september 2013. 4 School of Education projectnummer SoE 2011/20 - Vakdidactiek Natuurwetenschappen Partnerinstellingen: KHLeuven, KHKempen, KHLim (promotor), Projectteam: Katholieke Hogeschool Leuven - Departement Lerarenopleiding Bachelor SO Vakdidactici biologie: Els De Smet, Linda Clijmans Katholieke Hogeschool Kempen - Departement Lerarenopleiding Bachelor SO Vakdidacticus fysica: Katrien Vyvey Katholieke Hogeschool Limburg - Departement Lerarenopleiding : Vakdidacticus chemie: Filip Poncelet Vakdidactici fysica: Laura Tamassia Promotor: Renaat Frans Inspiratiegids vakdidactiek natuurwetenschappen School of Education Associatie KU Leuven (2013) Deze inspiratiegids is het resultaat van het SoE-project ‘Vakdidactiek natuurwetenschappen: onderzoek naar en ontwikkeling van een verbindende didactiek natuurwetenschappen in de lerarenopleiding secundair onderwijs’. We danken het expertisenetwerk School of Education Associatie KU Leuven niet alleen voor de financiële steun maar ook voor de hulp bij opvolging en uitvoering van het project. Deze gids werd voorgesteld op de 3de Dag van de Vakdidactiek georganiseerd door de expertisenetwerkenSoE, Beo, ELAnt, ENW AUGenten het regionaal platform voor lerarenopleidingen Novelle. Om een vlotte leesbaarheid van de gids te garanderen, koos het projectteam ervoor om de contouren van een vakdidactiek natuurwetenschappen in de gids op te nemen samen met de praktijkvoorbeelden gericht op de lerarenopleiding. Een aantal items, zoals de situatie in het buitenland, de uitgebreide resultaten van de enquête of verdere uitgewerkte leermaterialen voor de scholen, kunnen op de website van het project geraadpleegd worden1: www.vakdidactiek.be/natuurwetenschappen 1 Vanaf september 2013 5 Inhoudstafel A. Achtergrond • Naar een kwaliteitsvolle vakdidactiek Natuurwetenschappen • Conceptuele verheldering B. Kenmerken kwaliteitsvolle vakdidactiek natuurwetenschappen Natuurwetenschappen anders leren kennen 1. Bestaansrecht van het vak 2. Het leren van lerenden Didactiek relevant vertalen 3. Een kennisbasis algemene didactiek 4. Didactiek relevant vertalen Het vak natuurwetenschappen (laten) uitdagen 5. De praktijk uitdagen 6. Uitgedaagd worden door de praktijk Een vakdidactiek natuurwetenschappen opbouwen 7. De vakdidactiek bouwen op onderzoek 8. Een relevante vakdidactiek opbouwen C. Besluit 6 1 Naar een kwaliteitsvolle vakdidactiek Natuurwetenschappen 1.1 De natuurwetenschappen in de werkelijkheid Vragen naar het begrijpen van de natuur, behoren tot de oudste vragen die de mensheid zich stelt. Wie kent geen verwondering bij het bekijken van de sterrenhemel of het zien van de rijkdom in de natuur? Hoe komt het dat het heelal uitdijt? Welke functies spelen water en licht voor het leven? Hoe komt het dat uit de vloeistof water ‘vreemde’ gassen kunnen ontstaan zoals waterstof en zuurstof met totaal andere eigenschappen dan water zelf? Het bestaan van deze en andere vragen horen tot het domein van de natuurwetenschappen. Deze zoektocht naar antwoorden wordt belichaamd door grote wetenschappers zoals Newton, Darwin of Einstein. Figuur 1 Het sterrenstelsel NGC 4414, gefotografeerd door de Hubble ruimtetelescoop op een afstand van 1021 m of 100.000 lichtjaar (Bron: Nasa) De lange zoektocht van de mensheid naar antwoorden op deze vragen, maakt dat de natuurwetenschappen een plaats verdienen in het onderwijs. Reeds in de Klassieke Oudheid onderwezen Plato en Aristoteles – om slechts deze twee te noemen- hun leerlingen over de kennis van de mathematische en fysische werkelijkheid. 1.2 Het vak, de school, de leerkracht en de leerlingen Voor we ingaan op wat een goed vakdidactiek is, omschrijven we hoe we een vak, de school, de leerkracht en de leerling verstaan. We steunen hierbij op resultaten van 7 het kernproject vakdidactiek van School of Education Associatie KU Leuven (Ardui, et al., 2011). Een vak wordt daarin begrepen in de brede betekenis van een stuk uit de werkelijkheid dat voorligt. De school is dan een plaats waar dit deel van de werkelijkheid mee-gedeeld kan worden in alle betekenissen. De school geeft ruimte en tijd aan leraar en leerlingen om een deel van de werkelijkheid te verkennen. De leraar vraagt aandacht voor een stuk werkelijkheid en brengt dit ter sprake. De school creëert plaats en tijd waarover men daarbuiten niet kan beschikken. In de school wordt de productief-economische ruimte en tijd even ‘opgeheven’ zodat leerkracht en leerlingen op een relatief vrije manier met deze inhouden bezig kunnen zijn (Simons & Masschelein, 2010)(Simons M., 2008). Het is de liefde van de leraar voor dit deel van de werkelijkheid, die het mogelijk maakt om dit ter sprake te kunnen brengen voor de leerlingen en er aandacht voor te vragen. Een liefdevolle leerkracht verhoudt zich tot de wereld op een aandachtige wijze en wil doorheen deze aandachtige houding de wereld ontsluiten voor de leerlingen. Een leerkracht poogt de leerlingen de weg te wijzen naar een ‘land’ dat zij tot nog toe niet of onvoldoende kennen en dat het waard is om onderzocht te worden (Ardui, et al., Leerkracht zijn. Glossarium, 2012). 1.3 De vakdidactiek Hoe moet de leraar in de school dit stuk van de werkelijkheid openen voor de leerlingen? Hier komt de vraag naar een goede vakdidactiek ter tafel. Een leraar moet weliswaar iemand zijn die zijn vak kent en van zijn vak houdt. Maar enkel vakspecialist zijn en van zijn vak houden, is geen voldoende voorwaarde om een goed leraar te zijn (Ardui, et al., 2011). Een goed leraar blijkt over vakdidactische inzichten te beschikken die hem of haar in staat stellen om de inhoud van een vak in een bepaalde context te openen voor leerlingen. Een goed violist is niet noodzakelijk een goed leraar viool. Lee Shulman spreekt in dit verband over de Pedagogical Content Knowledge (PCK) van de leraar: “that special amalgam of content and pedagogy that is uniquely the province of teachers, their own special form of professional understanding” (Shulman, Knowledge and teaching: Foundations of the new reform, 1987). De ontwikkeling van een goede (vak)didactiek, dat is wellicht de kernopdracht van de lerarenopleiding. In het expertisenetwerk School of Educatie(SoE) Associatie KU Leuven werd een kernproject Vakdidactiek uitgevoerd met precies als doelstelling een model en kwaliteitskenmerken van een goede vakdidactiek te ontwikkelen. 8 Voorliggende inspiratiegids voor een kwaliteitsvolle vakdidactiek natuurwetenschappen poogt vorm te geven aan een vakdidactiek natuurwetenschappen in de lerarenopleiding en zal steunen op de resultaten van dit kernproject (Ardui, et al., 2011). 1.4 Wat is vakdidactiek? Het Vak3dactisch Model Het SoE kernproject vakdidactiek schuift het Vakd3dactisch model naar voor waar vakdidactiek de unieke deelverzameling wordt van vakkennis, didactiek en praktijk. Vakdidactiek kan niet herleid worden tot één van deze drie. Evenmin is het louter de som van de drie deeldomeinen. In de vakdidactiek komen de 3 invalshoeken samen om een nieuw geheel te vormen. Het is de vakdidactiek die het mogelijk maakt dat een bepaalde leerinhoud zinvol geopend wordt voor leerlingen (Ardui, et al., 2011). Het model laat zien hoe drie bewegingen essentieel zijn in elke goede vakdidactiek: Van vakkennis naar vakdidactiek In vakdidactiek wordt nagedacht over het zinvol ontsluiten van inhouden voor leerlingen. De inhoud is een objectiviteit die buiten de leraar en de leerlingen staat. De leraar is iemand die dit laat zien, ontsluit voor de leerlingen. Van didactiek naar vakdidactiek Om het over iets te hebben, moet de leraar de kunst van het onderwijzen beheersen. Een leraar kan daarom centrale pedagogische principes en thema’s vertalen naar de dynamiek van zijn vak of zijn inhoud. Van praktijk naar vakdidactiek Een leraar is gebonden aan een concrete school- en klascontext. Zonder zijn doel – het ontsluiten van iets – uit het oog te verliezen, dient de leraar oog te hebben voor wat er gebeurt in de les, in de klas. De vakdidactiek maakt net deze de praktijk van het lesgeven van het vak, zelf tot voorwerp van een leerproces. De leraar daagt de praktijk uit en wordt er tegelijk door uitgedaagd. 9 1.5 Indicatoren voor een kwaliteitsvolle vakdidactiek Voor elk van deze 3 bewegingen en voor het opbouwen van de vakdidactiek zelf, heeft het SoE-kernproject Vakdidactiek twee kwaliteitskenmerken geformuleerd. We zullen in deze inspiratiegids een kwaliteitsvolle vakdidactiek natuurwetenschappen vorm geven op basis van de kwaliteitsindicatoren van het generiek kernproject. Natuurwetenschappen anders leren kennen 1. Bestaansrecht van het vak 2. Het leren van lerenden Didactiek relevant vertalen 3. Een kennisbasis algemene didactiek 4. Didactiek relevant vertalen naar de didactiek van het eigen vak Het vak natuurwetenschappen (laten) uitdagen 5. De praktijk uitdagen 6. Uitgedaagd worden door de praktijk Een vakdidactiek natuurwetenschappen opbouwen 7. De vakdidactiek bouwen op onderzoek 8. Een relevante vakdidactiek opbouwen 10 1.6 De vakdidactiek van het schoolvak natuurwetenschappen Het vak natuurwetenschappen komt voor in die richtingen waar ‘wetenschappelijke geletterdheid’ – wetenschap voor de burger – de hoofddoelstelling is. Daarnaast blijven fysica, biologie en chemie apart op het curriculum staan in die richtingen waar de hoofddoelstelling ligt op “wetenschap voor de wetenschapper en technicus van morgen”. NATUURWETENSCHAPPENSCHAPPELIJKE VORMING IN HET S.O. VLAAMS VERBOND VAN HET KATHOLIEK SECUNDAIR ONDERWIJS (VVKSO) Basisonderwijs Wereldoriëntatie: exemplarisch Basisinzichten ontwikkelen in verband met verschijnselen in de natuur Natuurwetenschappelijke vorming Eerste graad (Astroom) Inzicht krijgen in de wetenschappelijke methode: onderzoeksvraag, experiment, waarnemingen, besluitvorming • Natuurwetenschappelijke vorming waarbij de levende natuur centraal staat maar waarbij ook noodzakelijke aspecten van de niet-levende natuur aan bod komen • Beperkt begrippenkader • Geen formuletaal (tenzij exemplarisch) Natuurwetenschappen Wetenschap voor de burger Biologie/Chemie/Fysica Wetenschap voor de burger, wetenschapper, technicus … In sommige richtingen van het tso (handel, grafische richtingen, stw …) en alle richtingen van het kso In sommige richtingen van het tso en in alle richtingen van het aso • Basisbegrippen • Basisbegrippen • Contextuele benadering (conceptuele structuur op de achtergrond) • Conceptuele structuur op de voorgrond (contexten op de achtergrond) Tweede graad Natuurwetenschappen Wetenschap voor de burger Biologie/Chemie/Fysica Wetenschap voor de wetenschapper, technicus … • In sommige richtingen van aso, tso en kso • In sommige richtingen van tso en aso • Contextuele benadering • Conceptuele structuur (contexten op de achtergrond) Derde graad Bron: leerplan NW 1ste graad van het VVKSO (D/2010/7841/001) 11 GEMEENSCHAPSONDERWIJS (GO) Bron: leerplan NW 1ste graad van het GO (2010/004) Natuurwetenschappen wil een clustering zijn van fysica, chemie en biologie. De leerplannen natuurwetenschappen wijzen op deze inhoudelijke en pedagogische kansen. We lezen bv. in het leerplan 2de graad natuurwetenschappen (vvkso): “Het leerplan Natuurwetenschappen gaat uit van een geïntegreerde aanpak van de verschillende wetenschapsvakken. Door deze aanpak zien de leerlingen beter de samenhang tussen de verschillende wetenschappelijke disciplines. Het is om pedagogisch-didactische redenen dan ook aangewezen dat één leraar in een bepaald leerjaar dit vak geeft.” Natuurwetenschappen in het secundair onderwijs, als een clustering van fysica, biologie en chemie, bevindt zich op het spanningsveld tussen gemeenschappelijkheid 12 tussen de disciplines en de eigenheid van de disciplines. De vraag naar een goede vakdidactiek natuurwetenschappen roept meteen volgende vragen op: 1) Wat wordt er bedoeld met integratie? 2) Wat is het eigene? Wat is het gemeenschappelijke? 3) Welke (vak)didactische en vakinhoudelijke kennis heeft een leraar natuurwetenschappen nodig? 4) Wat is de huidige aanpak van natuurwetenschappen in de secundaire school? 5) Hoe worden de leraren natuurwetenschappen vandaag opgeleid? 2 Conceptuele verheldering Als men de discussie over integratie wil begrijpen, is het van belang om te weten wat men precies onder integratie verstaat. 2.1 Op zoek naar een definitie … Men kan de 3 disciplines fysica, chemie en biologie natuurlijk apart aanbieden. Kiest men voor clustering, dan kan men 3 categorieën onderscheiden volgens Lederman (Lederman & Niess, 1997): (1) geïntegreerd wetenschapsonderwijs (2) interdisciplinair wetenschapsonderwijs (3) thematisch wetenschapsonderwijs We kunnen de termen geïntegreerd, interdisciplinair en thematisch definiëren als volgt: • Geïntegreerd: De inhoud wordt georganiseerd rond alledaagse, echte-wereld problemen en de verschillende vakken (biologie, chemie en fysica in ons geval) zijn niet meer zichtbaar. Een goede analogie is tomatensoep, waar de verschillende ingrediënten niet meer zichtbaar zijn. Figuur 2 Tomatensoep. Bron: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tomatosoup.jpg 13 • Interdisciplinair: In plaats van te integreren om de verschillen niet meer zichtbaar te maken, blijven de verschillen tussen de disciplines bestaan. Een goede analogie is noedelsoep met kip, waar de verschillende ingrediënten wel zichtbaar zijn. Via hun “interactie” versterken ze elkaar en het gerecht heeft ook een identiteit als geheel. De interdisciplinaire aanpak veronderstelt een basis in de disciplines en versterkt het inzicht van de leerling in de disciplines zelf als ze worden aangewend om een gegeven thema of topic te onderzoeken. Figuur 3: Noedelsoep met kip. Bron http://en.wikipedia.org/wiki/File:Chicken-pho-vietnamese-soup.JPG • Thematisch: De inhoud wordt georganiseerd rond brede en maatschappelijk relevante thema’s. Deze aanpak is wat breder in vergelijking met het geïntegreerd curriculum, omdat de thema’s meestal een breder perspectief geven dan een selectie van specifieke problemen uit het dagelijkse leven, maar de verschillende disciplines zijn ook minder of niet meer zichtbaar, zoals in het geïntegreerde curriculum. In de verschillende leerboeken en methodes natuurwetenschappen die nu in Vlaanderen gebruikt worden voor het vak natuurwetenschappen, kunnen we ook deze drie categorieën terugvinden. 2.2 Andere mogelijke definitie Andere auteurs definiëren categorieën van integratie. Klein spreekt over een multidisciplinaire, interdisciplinaire en transdisciplinaire vorm van vakintegratie (Klein, 2006). Een multidisciplinaire aanpak van vakintegratie brengt de verschillende vakken samen, maar de aparte disciplines blijven bestaan. Er vindt geen synthese plaats. Zo kan men eerst de fysische aspecten van water bestuderen (bv. de faseovergangen), daarna de chemische aspecten (bv. de moleculaire structuur) en daarna de biologische aspecten (bv. het belang van water voor levende wezens). De multidisciplinaire aanpak, laat het niet toe om bepaalde natuurwetenschappelijke vragen te beantwoorden of om bepaalde thema’s met voldoende diepgang te bespreken. 14 De ijsvogel bron: http://www.wallpaperhi.com/Animals/Birds/water_ice_nature_birds_animals_fish_kingfisher_2560x1920_wallpa per_60648 Bijvoorbeeld, bij het bestuderen van leven in een zoetwater-ecosysteem, zou men willen verklaren hoe het komt dat een ijsvogel een strenge winter kan overleven. Om dit met voldoende diepgang te kunnen bespreken en verklaren, moet men inzichten uit de fysica, de chemie en de biologie combineren om tot een synthese te komen, namelijk: - uit de fysica: het anomaal gedrag van water onder 4° (fasediagram van water) en het principe van Archimedes - uit de chemie: dat het anomaal gedrag van vloeibaar water ermee te maken heeft dat elk watermolecuul via waterstofbruggen kan binden met vier naburige moleculen - uit de biologie: het verband tussen het voedingspatroon van de ijsvogel en het leven in water. Om dit soort problematiek te kunnen bespreken in de les, heeft men een interdisciplinaire aanpak nodig. Ook bij een interdisciplinaire aanpak wordt een probleem of thema door de verschillende disciplines bestudeerd. Hier probeert men echter – in tegenstelling tot de multidisciplinaire aanpak – via de relaties tussen de disciplines de centrale probleemstelling op te lossen of tot een overstijgend conceptueel kader te komen (Nikitina, 2006). De relatie tussen fysische, scheikundige en biologische kennis laat bv. toe om te verklaren waarom een gekko aan het plafond kan blijven hangen. De uitlopers van de spatula bij de gekko zijn zo klein dat ze op een atomair niveau worden aangetrokken door de ondergrond. Deze interactie, de van der Waalskracht, geeft de gekko zijn enorme kleefkracht. De van der Waalskrachten zijn hoofdzakelijk dispersiekrachten tussen tijdelijk gepolariseerde moleculen (chemie) door zwakke tot zeer zwakke elektromagnetische krachten tussen atomen of moleculen (fysica). 15 Een gekko tegen het plafond Bron: http://cms.proximedia.com/site/26712/page.asp?langue=NL&docid=38004 De transdisciplinaire aanpak is in de classificatie van Klein de sterkste vorm van integratie. Bij deze aanpak zijn de grenzen tussen de disciplines volledig vervaagd. Men vertrekt van contexten uit de leefwereld van de leerlingen, bv. de milieuvraagstukken. Vaak gaat men via een probleemgestuurde en onderzoeksmatige aanpak het thema bestuderen (Drake, 2007). Drake vermeldt ook de mogelijkheid om één vak geheel te integreren in een ander vak. Deze classificatie van niveaus van integratie kan grafisch gerepresenteerd worden door het trapschema in de figuur hieronder. Figuur 5: Vormen van integratie geordend naar sterkte van integratie Bron:(Van Boxtel, 2009)) In de literatuur vindt men ook complexere en praktisch nog minder bruikbare classificaties van integratie, bijvoorbeeld die van Fogarty, waarmee men 10 verschillende manieren van integratie kan onderscheiden (Fogarty, 1991). 16 2.3 Terminologische verwarring of niet? Als we de classificaties van Lederman en Klein vergelijken, zien we dat de definitie van interdisciplinaire aanpak overeenkomt. De multidisciplinaire aanpak van Klein wordt in principe niet beschouwd door Lederman, in feite is dit quasi het triviale geval van de vakken apart. De thematische en geïntegreerde aanpakken van Lederman komen overeen met de transdisciplinaire aanpak van Klein. Het wordt dus duidelijk dat er een terminologische verwarring gemakkelijk kan ontstaan in de discussie rond integratie in wetenschapsonderwijs en het is belangrijk om de gebruikte termen altijd goed te definiëren. Op een theoretisch niveau is de classificatie van Klein wellicht interessanter wegens de stijgende taxonomie van integratie. Toch hebben we in dit project gekozen voor de eenvoudigere classificatie van Lederman, niet in het minst omdat we in de enquête - die we in het kader van dit project ook hebben uitgevoerd bij leraren en lerarenopleiders (zie kwaliteitsindicator 6) – een eenvoudige en duidelijke classificatie nodig hadden. De termen van Lederman worden immers ook wel gebruikt in de praktijk, die van Klein veel minder. Dit neemt niet weg dat de terminologie van Klein nuttig kan zijn, bv. als men zich afvraagt of men tot een synthese komt of niet. 2.4 Praktijkoefening: Probeer de verschillende leerboeken en methoden natuurwetenschappen in Vlaanderen te analyseren volgens het schema van Lederman en Niess: (1) geïntegreerd wetenschapsonderwijs (2) interdisciplinair wetenschapsonderwijs (3) thematisch wetenschapsonderwijs 1. Ga na of de auteurs een geïntegreerde, interdisciplinaire of thematische aanpak gevolgd hebben. Mogelijk verschilt de aanpak naargelang het hoofdstuk. Volgende vragen kunnen daarbij richtinggevend zijn: a. Worden de disciplines biologie, fysica en chemie expliciet vermeld? Indien niet: Is er een scheiding tussen de biologische, fysische en chemische inhoud in het boek? b. Is de inhoud georganiseerd rond de disciplines zelf, rond alledaagse problemen of rond brede en maatschappelijke relevante thema’s? Indien ja: worden er verbanden gelegd tussen de disciplines? 17 c. Worden fysica en chemie alleen gebruikt als steun voor een biologische leerlijn of komen ze tot hun eigen recht om fundamentele inzichten te verwerven? 2. Zou je je keuze voor de leerboeken of methoden natuurwetenschappen in je klas/school, laten beïnvloeden door de invalshoek en aanpak? Voor welke keuze zou je gaan en waarom? 3. Doe dezelfde oefening voor het schema van Klein: (1) multidisciplinair (2) interdisciplinair (3) transdisciplinair 4. Vind een ander voorbeeld (dan de ijsvogel en de gekko) waarvoor de multidisciplinaire aanpak (classificatie van Klein) het probleem niet volledig kan verklaren en men dus noodzakelijk tot een interdisciplinaire aanpak moet komen. 18 3 Ontwikkelen van kwaliteitsindicatoren voor een vakdidactiek Natuurwetenschappen 3.1 Natuurwetenschappen anders leren kennen 3.1.1 Kwaliteitsindicator 1: Het bestaansrecht van het vak Wat is de essentie, het unieke van mijn vak? Wat is de maatschappelijke relevantie van mijn vak? Wat is de essentie van natuurwetenschappen? Een goede vakdidactiek natuurwetenschappen laat aan de leerlingen de essentie van de natuurwetenschappen zien. Dit impliceert dat de leerkracht (a) deze essentie begrijpt en (b) deze kan laten zien (er aandacht voor kan vragen). De vragen die voorliggen zijn: (a) Wat is de gemeenschappelijke essentie van de natuurwetenschappen? (b) Waarin verschilt deze van de afzonderlijke disciplines fysica, chemie en biologie? (c) Wat is het bestaansrecht van het vak natuurwetenschappen, rekening houdend met de gemeenschappelijke essentie van de natuurwetenschappen en de verschillen tussen de afzonderlijke disciplines fysica, chemie en biologie? 19 A De gemeenschappelijke kenmerken van de natuurwetenschappelijke disciplines: Verlangen naar weten Wat de natuurwetenschappen in de eerste plaats bindt, is het verlangen naar weten. Hoewel natuurwetenschappen zeer nuttig kunnen zijn – denk maar aan toepassingen van wetenschappen in techniek en geneeskunde - begint de natuurwetenschapper vanuit het loutere verlangen te willen weten. Misschien ervaren leerlingen die fascinatie voor het begrijpen van de natuur vandaag minder, omdat ze vandaag eerder ‘ver’ van de natuur leven en in bijvoorbeeld technologische toepassingen de verschijnselen van de natuur minder zien. Het is dan ook een belangrijke taak van het onderwijs de interesse van de jeugd voor de levende en niet-levende natuur op te wekken. De inzichten van de natuurwetenschappen zijn niet triviaal maar het resultaat van een minstens tot de antieke oudheid teruggaande zoektocht. Leerlingen zijn dan ook niet zomaar uit zichzelf in staat om deze kennis (terug) op te bouwen. De natuurwetenschappen bieden inzichten in de werkelijkheid die op zichzelf waardevol zijn. Bovendien is de natuurwetenschappelijke kennis zo fundamenteel geldig in de natuur dat ze tot vele toepassingen leidt in de geneeskunde, de technologie…. Het vak natuurwetenschappen heeft dan ook de opdracht deze belangrijke wetenschappelijke inzichten te ontsluiten voor leerlingen. De wetenschappelijke methode De natuurwetenschappen werken volgens een gemeenschappelijke methode die toelaat om betrouwbare wetenschappelijke kennis te verwerven. Deze methode bestaat uit een fijn samenspel van theorie en experiment gestuurd door wetenschappelijke vraagstellingen. Leerlingen beseffen vaak niet dat men een natuurwetenschappelijke theorie niet kan bewijzen door experimenten uit te voeren. Men kan wel metingen doen die – binnen de meetnauwkeurigheid - in overeenstemming zijn met de wetten of concepten van de wetenschappen. Wetenschappers zeggen daarom dat experimenten een theorie verifiëren, niet ‘bewijzen’. Bv. Een meting van de energie voor en na een reactie die overeenstemt met het principe van behoud van energie, bewijst dit principe niet, maar is er wel een experimentele bevestiging of verificatie ervan. Men gaat er – ook in het onderwijs - doorgaans vanuit dat een theorie die de meeste pogingen tot falsificatie succesvol doorstaan heeft, de meest ‘ware’ is . Toch is zelfs een herhaaldelijk geverifieerde theorie nooit bewezen. Het verleden heeft herhaaldelijk aangetoond dat een vaak geverifieerde theorie (zoals die van Newton) toch een speciaal geval kan zijn van een algemenere theorie (zoals de relativiteitstheorie van Einstein die Newtons theorie omvat als speciaal geval). Het onderwijs moet een vraagcultuur stimuleren bij de jeugd: als je interesse hebt voor iets, stel je er vragen over. Wetenschappelijke vragen leren stellen, verantwoorde en consistente hypothesen bedenken, de natuur ondervragen door middel van het experiment, en een consistent model opbouwen, horen tot de essentie van de 20 natuurwetenschappelijke methode. Het is belangrijk dat jongeren zinvolle onderzoeksvragen leren stellen, een passend experiment kunnen uitvoeren en de experimentele gegevens correct leren interpreteren. Rol van abstractie De werkelijkheid blijkt erg complex te zijn. Natuurwetenschappers maken daarom modellen van de werkelijkheid. Een model is eenvoudiger dan de werkelijkheid zelf. Het draagt de essentie van de verschijnselen in zich en verwaarloost een aantal minder belangrijke factoren. Wetenschappers redeneren met dit model om de natuur te begrijpen en te voorspellen. Deze modellen zijn vaak in een kwantitatieve wiskundige taal beschreven. Een goede vakdidactiek natuurwetenschappen zal leerlingen leren inzien hoe wetenschap met vereenvoudigde modellen de werkelijkheid tracht te begrijpen. Ze leert de jeugd redeneren met modellen. Misschien leert een goede vakdidactiek leerlingen zelfs modellen te bedenken. Consistentie De natuurwetenschappen leggen verbanden tussen verschijnselen die – op het eerste zicht – weinig met elkaar te maken hebben. Ze trachten een beeld van de werkelijkheid op te bouwen dat consistent is, d.w.z. logisch in elkaar steekt en vrij is van tegenspraak. Het is belangrijk om de jeugd te stimuleren om de natuur te leren begrijpen op een consistente manier: d.w.z. met zo weinig mogelijk veronderstellingen bouwen de natuurwetenschappen een logisch geheel op vrij van interne tegenspraak. Het kan niet zijn dat een biologisch inzicht een basiswet van de fysica schendt (bv. behoud van energie). Integendeel, door de natuur te willen begrijpen bouwen wetenschappers samenhangende theorieën. Het is bekend dat zulke samenhangende theorieën een esthetisch genoegen betekenen voor de wetenschapper die deze inzichten verwerft (‘aha’-erlebnis). 21 B De eigenheid van de natuurwetenschappelijke disciplines vanuit hun historiek Hoewel de natuurwetenschappen fundamentele gemeenschappelijke kenmerken hebben, zijn er in de loop van de geschiedenis uit de natuurfilosofie, de disciplines fysica, biologie en chemie ontstaan. Om inzicht in de eigenheid van de disciplines te hebben, is het dan ook zinvol enig zicht te hebben op de geschiedenis van de natuurwetenschappen. We zien een evolutie van de brede Griekse natuurfilosofie naar meer specialisatie in de verschillende disciplines (vooral vanaf de 18e eeuw) en ook weer terug naar meer interdisciplinaire verbindingen in bv. de moderne nanowetenschappen. Van de Griekse natuurfilosofie tot de moderne wetenschappen in de 18e eeuw In het Oude Griekenland vestigde zich de gedachte dat de wereld begrijpelijk moet zijn. De wereld kon niet chaotisch zijn, maar geordend, mooi en dus ook begrijpelijk. Het was de start van de natuurfilosofie in Europa. Het Griekse woord ‘kosmos’ betekent tegelijk kunstwerk en orde. De Griekse natuurwetenschap was eigenlijk vooral natuurfilosofie. Er werd vooral nagedacht over hoe de natuur in elkaar zou Figuur 6 Het pentagram in een moeten steken, en er werden veelal bloem: de meetkundige symmetrie in natuurfilosofische discussies gehouden. Zo de natuur. De gedachte dat de natuur beweerde Thales van Milete (ca. 600 v.C.) dat met logica en wiskunde te begrijpen alles wat we rond ons zien in feite uit water valt, is een antiek Griekse gedachte bestaat. De lucht was verdampt water, de van filosofen zoals Pythagoras, Plato aarde vervast. Empedocles dacht dat de en Archimedes. wereld opgebouwd is uit 4 elementen: aarde, water, lucht en vuur. Hier merken we dus de eerste pogingen om tot natuurwetenschappelijk verklaringen te komen. Dit in tegenstelling tot de mythische verhalen tot dan toe. De Griekse denkwijze om de natuur niet meer vanuit mythes te verklaren, maar wel vanuit logische en wiskundige principes, was een cruciale doorbraak in het wetenschappelijke denken. Het experimenteren bij de Grieken bestond voornamelijk uit het observeren van de natuur en het logisch ordenen van de bevindingen. Het gecontroleerd uitvoeren van experimenten om beweringen te controleren werd maar pas veel later een standaardmethode in de wetenschappen. Na de val van het West-Romeinse rijk raakten de Griekse filosofische teksten in de vergetelheid. Pas rond de 12e eeuw zou het logische en empirische denken terug aan belang winnen dankzij de Scholastische filosofie met o.a. Thomas van Aquino (1225-1274). Thomas schetste o.a. een beeld van de middeleeuwse kosmologie en streefde naar het samengaan van het logisch en deductief denken met de theologie. De wetenschap kwam terug in een stroomversnelling door de herontdekking van klassieke wetenschappelijke teksten door de val van Constantinopel in 1453 en de uitvinding van de boekdrukkunst rond dezelfde tijd. De wetenschap komt in deze periode autonomer en losser te staan van de theologie. 22 In 1543 publiceert Andreas Vesalius het eerste complete boek over de menselijke anatomie, De humani corporis fabrica libri septem, en Nicolaus Copernicus zijn De revolutionibus orbium coelestium (Over de Revolutie der Hemelse sferen). Het daarin vooropgestelde heliocentrisme was ‘revolutionair’ maar tegelijk ontbrak een mechanica die de bewegingen van de aarde en de planeten rond de zon kon verklaren en vooral: kon verklaren waarom we niet van een draaiende aarde zouden afvliegen. Het was Kepler die alvast 3 wetmatigheden ontdekte in de banen van de planeten rond de zon. Galilei, de vader van de experimentele fysica, en een vurig verdediger van Copernicus’ heliocentrisme, leerde ons ook dat je de natuurwetten maar op het spoor kan komen als je idealiseert bv. door gedachtenexperimenten te bedenken. Zo ontdekte hij het traagheidbeginsel. Isaac Newton verenigde in 1687 in zijn Principia Mathematica Philosophae Naturalis, de ‘hemelmechanica’ van Kepler en de ‘aardse’ mechanica van Galilei in 3 bewegingswetten en zijn universele gravitatiewet. De klassieke mechanica van Newton kan als een eerste hoogtepunt beschouwd worden van de wetenschap (Dijsterhuis, 1950). Merk op dat Newton in de titel spreekt van ‘natuurfilosofie’ en niet van fysica. Newton hield zich ook sterk bezig met alchemie, een tak van de wetenschap die trachtte metalen in elkaar om te zetten. Alchemisten zochten bv. naar manieren om metalen in zilver of goud om te zetten. Uit de alchemie ontstond geleidelijk aan de scheikunde. Fysica, chemie en biologie: hun eigenheid vanaf de 18e eeuw Vanaf de 18e eeuw begon men geleidelijk een onderscheid te maken tussen de studieobjecten van de verschillende natuurwetenschappen. Zowel fysici, chemici als biologen proberen de natuur te begrijpen. Zij focussen echter – historisch gezien- elk op een ander aspect van de natuur. Daar waar de fysica de fundamentele eigenschappen van de niet levende natuur trachtte te begrijpen, focuste de chemie op de natuurwetten die gelden als stoffen van aard veranderen en de biologie op het functioneren van levende organismen. Vanaf de 18de eeuw ontwikkelde zich de biologische wetenschappen zoals plant- en dierkunde. Reeds in 1665 had Robert Hooke de cel ontdekt en legde hiermee de basis van de celtheorie en de cellulaire biologie. Alexander von Humboldt onderzocht de interactie tussen organismen en hun omgeving. Men begon oog te krijgen voor soorten en het uitsterven ervan. Charles Darwin formuleerde zijn evolutietheorie in the Origin of Species (1859). Mendel ontdekte hoe eigenschappen via erfelijke mechanismen konden doorgegeven worden. Watson en Crick ontdekten in 1953 de structuur van DNA als een dubbele helix waarin de code besloten ligt voor de synthese van eiwitten. Sindsdien kende de genetica en de moleculaire biologie een sterke ontwikkeling. Het leven is een complex systeem. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de biologie lang gebruik maakte van eerder beschrijvende, kwalitatieve methodieken om deze complexe systemen te begrijpen. Zij slaagde erin om tot verregaande, zinvolle inzichten te komen (bv. evolutietheorie, erfelijkheidsleer). De moderne biologie maakt meer en meer gebruik van de fysische en chemische inzichten om de processen van het leven te begrijpen. Met de toegenomen informaticakennis is het bv. mogelijk geworden om complexe systemen kwantitatief te gaan modelleren. Zo worden de analytisch-wiskundige technieken van de fysica steeds belangrijker in de moderne biologie en spreekt men van biofysica, bv. modellering van informatieoverdracht tussen zenuwcellen, diagnostische methodes gebruikt 23 in de geneeskunde zoals MRI, E.E.G., potentiaal- en weerstandsmetingen van huid en organen, neurale netwerken… . De 18de eeuw was ook de start van de moderne scheikunde. Antoine Lavoisier ontdekte dat ‘verbranding’ begrepen kon worden als een reactie met zuurstof. Hij formuleerde het behoud van massa bij reacties (Traité élémentaire de chimie 1789). Mendeljev slaagde erin om de steeds langere lijst van chemische elementen te ordenen volgens hun massa en chemische eigenschappen. Pas begin 20ste eeuw werd de atoomhypothese en het bestaan van het elektron algemeen aanvaard en werd de substructuur van het atoom duidelijk met de atoommodellen van Ruhterford en Bohr (1912). Linus Pauling rekende in zijn on The Nature of the Chemical Bond (1939) de chemische bindingen uit van diverse moleculen door gebruik te maken van de kwantummechanica. De chemie vertrekt vanuit stofonderzoek en de classificatie van stoffen. De elementen waaruit stoffen zijn opgebouwd werden gerangschikt volgens hun cyclisch terugkerende eigenschappen in de bekende tabel van Mendeljev. Deze chemische eigenschappen werden later verklaard als energietoestanden van elektronen dankzij inzichten uit de kwantumfysica. Het beschrijven van de wetmatigheden waaronder stoffen van aard veranderen behoort initieel tot het domein van de chemie. Stoffen reageren met elkaar om een andere stof te vormen die ook andere eigenschappen heeft. In deze transformatie blijven fysische grootheden als massa en energie behouden en blijven de thermodynamische wetten van de fysica gelden. Figuur 7 De verhouding tussen de wetenschappen biologie, chemie en fysica in de tijd. Er blijken in de loop van de tijd steeds meer interdisciplinaire gebieden te komen. Geleidelijk is gebleken dat levende organismen bestaan uit complexe moleculen waardoor het veld van de biochemie ontstond. Door verdere inzichten in de genetica en de verdere verfijning van genetische manipulatie, ontwikkelde zich de biotechnologie, met toepassingen in geneeskunde, landbouw en industrie. Biotechnologie is bij uitstek een wetenschappelijke tak waar chemie en biologie hand in hand gaan. 24 Ook de fysica werd pas in de 18deeeuw als vakgebied vernoemd. In de 19de eeuw ontstond enerzijds de theorie van elektrostatica en -dynamica, anderzijds die van het magnetisme. Beide theorieën verenigde de Schotse natuurkundige Maxwell (1873) in een omvattende theorie van het elektromagnetisme dat het bestaan van elektromagnetische golven (bv. licht) voorspelde. Parallel met de industriële revolutie ontwikkelde zich de thermodynamica met de bekende 1ste hoofdwet: behoud van energie. De 20ste eeuw deed de fysica op zijn grondvesten daveren. Enerzijds toonde Einstein in zijn speciale relativiteitstheorie aan dat massa en energie equivalent zijn, maar bovendien stelde hij dat grootheden zoals massa, lengte én tijd afhankelijk zijn van het referentiestelsel van de waarnemer (1905). In zijn algemene relativiteit (1915) beschreef hij hoe massa-energie de ruimte-tijd kan doen krommen. Anderzijds werd in de 20ste eeuw duidelijk dat het klassieke begrip ‘baan’, zoals we dat kennen in de klassieke mechanica van Newton, geen betekenis meer heeft in het kleine. De kwantummechanica van de Broglie en Schrödinger (1926) maakten duidelijk dat de dualiteit deeltje-golf een fundamenteel gegeven is in de natuur en dat deeltjes kwanta zijn van ‘golvende’ velden. Deze velden kunnen met de kwantummechanica berekend worden maar geven slechts met waarschijnlijkheden plaats en snelheid van deeltjes aan. De fysica beschrijft de fundamentele wetten van ruimte, materie, energie en tijd. Deze beschrijvingen zijn zo fundamenteel dat ook de biologie en de chemie hieraan voldoen. Oorspronkelijk kon fysica enkel eenvoudige systemen beschrijven. Door de toegenomen rekenkracht kan de fysica nu ook complexere systemen modelleren. Hierdoor worden de fysische methoden ook meer en meer toegepast bij de studie van levende systemen (DNAonderzoek, populatiedynamiek,…). De modellen van de kwantumfysica laten haast toe om nieuwe moleculen te berekenen voor ze gemaakt kunnen worden. Evolutie naar interdisciplinariteit Op kleine, atomaire schaal komen de inzichten van de fysica, de chemie en de moleculaire biologie samen. Dit resulteert in nanowetenschappen waar steeds meer contact is tussen deze disciplines. We zien in de moderne natuurwetenschappen een duidelijke evolutie naar interdisciplinariteit. C Natuurwetenschappen: een samenspel tussen fysica, chemie en biologie Figuur 8 toont een schematische voorstelling van de verhouding tussen de wetenschappelijke disciplines. Door de eigenheid van elke wetenschappelijke discipline enerzijds en de gemeenschappelijke kenmerken van de disciplines anderzijds, krijgen we een verhouding tussen de drie wetenschappen die uniek is. Natuurwetenschappen overstijgt het pure interdisciplinaire samengaan van de drie afzonderlijke wetenschappen. Een expert Frans, geschiedenis en wiskunde kunnen in een interdisciplinair team misschien tot een Franstalige tekst over de geschiedenis van de wiskunde komen. De verwevenheid tussen fysica, chemie en biologie is echter veel sterker dan dat, ook al hebben de drie wetenschappelijke disciplines wel degelijk hun eigenheid. Alle natuurwetenschappen vertrekken vanuit de verwondering en het verlangen naar weten. Ze maken ook alledrie gebruik van de wetenschappelijke methode om tot inzichten en verklaringen te komen. Het studieobject van de drie wetenschappen is echter historisch gezien verschillend. 25 Fysica maakt het meest gebruik van de mogelijkheden van de wiskunde en van kwantitatieve technieken, gezien fysische wetten geformuleerd zijn als wiskundige verbanden tussen meetbare grootheden. Om dit te kunnen doen, maakt de fysica gebruik van fysische grootheden en modellen die een abstractie zijn van de natuur. Zo worden bv. voorwerpen meestal door puntmassa’s voorgesteld. De wetten van de fysica zijn zo fundamenteel dat de andere wetenschappen hieraan moeten voldoen. De chemie onderzoekt systemen op een organisatieniveau tussen dat van de fysica en de biologie. De verklaringen gebeuren vooral via corpusculaire modellen. Ze onderzoekt de bereiding, de eigenschappen van stoffen en de omzettingen die deze kunnen ondergaan. Ze verklaart deze eigenschappen en structuren van stoffen op macroniveau met de eigenschappen en structuren van submicroscopische deeltjes, moleculen, die zelf zijn samengesteld uit atomen van een beperkt aantal chemische elementen. Ze verklaart omzettingen van stoffen (chemische reacties) in termen van hun corpusculaire structuur en in termen van energie-uitwisselingen die hierbij kunnen optreden. In chemie gebeuren meer beschrijvingen dan in fysica, maar minder dan in biologie. Ze gebruikt minder kwantitatieve technieken dan de fysica, maar werkt meer met formules dan de biologie. De biologie beschrijft de meest complexe systemen. Om dat te kunnen doen, maakt de biologie gebruik van wetten en theorieën van de chemie en de fysica. Omgekeerd heeft de fysica dus toepassingen in de chemie en de biologie en heeft ook de chemie toepassingen in de biologie. Door de toegenomen kennis en computertechnologie kan de biologie meer en meer gebruik maken van de fysische en chemische inzichten en neemt de verwevenheid tussen de drie wetenschappen alleen maar toe. Figuur 8: Schematische voorstelling van natuurwetenschappen als een specifiek samengaan van fysica, chemie en biologie. 26 D Bestaansrecht van het vak natuurwetenschappen De natuurwetenschappen fysica, chemie en biologie hebben een aantal gemeenschappelijke kenmerken en daarnaast een eigen, specifiek karakter. Lerarenopleiders en leerkrachten worstelen dan ook met de vraag of de natuurwetenschappen in één overkoepelend vak natuurwetenschappen, dan wel in drie aparte vakken biologie, chemie en fysica kunnen aangeboden worden. Zowel uit de literatuur (zie ook verder onder kwaliteitsindicator 8 ‘De vakdidactiek bouwen op onderzoek’) als uit de antwoorden op de enquête die naar leraren en lerarenopleiders werd rondgestuurd (zie ook verder onder kwaliteitsindicator 6 ‘Uitgedaagd worden door de praktijk’), blijkt dat het inrichten van een geïntegreerd vak natuurwetenschappen zowel voor- als nadelen heeft. Voordelen: De leerlingen zien de werkelijkheid als één geheel. De werkelijkheid is niet onderverdeeld in aparte vakken. Integratie van de natuurwetenschappen helpt vermijden dat leerlingen gefragmenteerde kennis krijgen (Czerniak 2007, enquête). Zeker in minder wetenschappelijk georiënteerde richtingen hebben veel leerlingen een afkeer van fysica, chemie en biologie. Uit literatuur (Czerniak, 2007) en de enquête blijkt dat het vak natuurwetenschappen de leerlingen situationeel meer motiveert dan de aparte wetenschappen. Een geïntegreerd curriculum biedt kansen tot het leggen van contextuele verbindingen tussen de wetenschappen (Czerniak 2007, enquête). Tenslotte is er het organisatorisch en pedagogisch voordeel van een meeruursvak (enquête). Nadelen: Een geïntegreerde aanpak leidt volgens sommigen tot minder diepgang, zie onze enquête en literatuur (Lederman & Niess, 1997) (Lederman & Niess, Less is more? More or less, 1997). In de vernieuwde lerarenopleiding worden de leerkrachten meestal maar in één, soms twee wetenschapsvakken opgeleid. De expertise van de leerkrachten in de drie disciplines is dan ook dikwijls ontoereikend (enquête). Het SoE-project “Liefde voor het vak” toont aan dat een goede leraar liefde en interesse voor zijn vak heeft (Ardui, et al., 2012). Daar waar gebrek aan expertise eventueel nog met het volgen van nascholingen opgelost kan worden, is het zo mogelijk nog moeilijker om ervoor te zorgen dat leerkrachten met liefde voor één wetenschapsvak dezelfde liefde voor de andere wetenschapsvakken krijgen. Uit de bevindingen van onze onderzoeksgroep blijkt dat de drie wetenschappen elk een eigen logische structuur en vakopbouw hebben. Bij een geïntegreerde aanpak is het soms moeilijk om voor alledrie de wetenschappen de meest logische vakopbouw te hanteren. 27 In veel scholen zijn er praktische problemen zoals een aangepast wetenschapslokaal (enquête). In Vlaanderen werd in een aantal richtingen het vak natuurwetenschappen ingevoerd en tegelijk het aantal lesuren wetenschappen gereduceerd (bv. Natuurwetenschappen in de 2de graad Handel werd gereduceerd van 3 naar 2 uur). Dit terwijl uit vergelijking met het buitenland blijkt dat in Vlaanderen er al zeer weinig uren wetenschappen zijn, zelfs zonder deze reductie. Er is geen wetenschappelijke evidentie dat een geïntegreerde aanpak tot meer wetenschappelijke geletterdheid bij de leerlingen leidt. Anderzijds werd evenmin aangetoond dat het geven van de afzonderlijke vakken wel leidt tot meer wetenschappelijke geletterdheid (Tamassia & Frans, 2013). Omwille van de eigenheid van de drie wetenschappen enerzijds en de gemeenschappelijke kenmerken en verbanden tussen de wetenschappen anderzijds, pleiten veel leerkrachten en hogeschoolopleiders voor een interdisciplinaire aanpak van de drie disciplines (zie ook verder onder kwaliteitsindicator 6 ‘Uitgedaagd worden door de praktijk’). De historiek van de wetenschappen toont dat we in toegepast onderzoek meer en meer evolueren naar een interdisciplinaire aanpak. Een interdisciplinaire aanpak kan gerealiseerd worden in een overkoepelend vak natuurwetenschappen maar eveneens vanuit de vakken fysica, chemie en biologie apart. Veel leerkrachten SO zijn tevreden over de huidige structuur van het wetenschapsonderwijs met enerzijds natuurwetenschappen in de 1e graad en in de niet-wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen en KSO-richtingen van de 2e graad en anderzijds de wetenschapsvakken afzonderlijk in de ASO-richtingen en wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen. Lerarenopleiders opteren ervoor dat de vakken biologie, chemie en fysica apart blijven bestaan in de ASO-richtingen en wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen van de tweede graad. We zien dat in sommige andere landen natuurwetenschappen als integratie toegevoegd wordt naast de afzonderlijke wetenschappen (bv. in Baden-Württemberg, Duitsland2). Dit geeft kansen om de voordelen van de integratie van natuurwetenschappen te koppelen aan de voordelen van het geven van de vakken apart. We kennen in Vlaanderen dergelijke aanpak ook in de vorm van de seminaries in de 3de graad. Vooral de begeleiding van de leerlingen door een interdisciplinair lerarenteam biedt kansen. 2Zie NaturwissenschaftunTechnik Baden-Württemberg www.nwt-bw.de/, opgehaald op 07.02.2013: “Das Fach Naturwissenschaft und Technik (NwT) wurde im Schuljahr 2007/08 landesweit eingeführt undstellt das Profilfach des naturwissenschaftlichen Profils dar. Es entspricht als Kernfach der dritten Fremdsprache im sprachlichen Profil und wird ebenso wie diese in den Klassen 8, 9 und 10 (G8) jeweils 4-stündig unterrichtet. Parallel dazu haben die Schülerinnen und SchülerUnterricht in den Basiswissenschaften Biologie, Chemie, Physik und Geografie - und dies mit gleichen Inhalten und gleicher Stundenzahl in allen Profilen; das naturwissenschaftliche Praktikum ist in NwT integriert”. 28 E Praktijkoefening We kunnen de verschillen tussen de 3 disciplines aantonen met een praktijkoefening die we zelf ook in onze projectgroep hebben gemaakt. We stellen ons een vragen rond een natuurwetenschappelijk thema bv. De verkleuring van een herfstblad We vragen nu aan een bioloog, een chemicus en een fysicus om twee essentiële vragen te formuleren over dit fenomeen die toelaten het voorgelegde fenomeen te ontrafelen. Doe de oefening zelf. We geven u de resultaten die we verkregen in ons interdisciplinair team: Vragen van de bioloog: 1. Hoe komt het dat een blad verkleurt in de herfst? 2. Wat is het nut van die verkleuring? Vragen van de chemicus: 1. Welke kleurstoffen bevat het herfstblad? 2. Welke chemische reacties treden op en onder welke factoren? Vragen van de fysicus: 1. Hoe zorgt de interactie tussen het licht en de moleculen in het blad dat we deze specifieke kleur zien? 2. Kunnen we voorspellen welke kleur het herfstblad krijgt als we het beschijnen met licht van een andere kleur? In de oefening stellen we vast dat de verschillende wetenschappen andere vragen stellen. Onderling was het zelfs moeilijk om elkaars vraag ten volle te begrijpen. Uit de oefening, kan men direct afleiden dat de natuurwetenschappers weliswaar vertrekken van hetzelfde verschijnsel, maar zich verwonderen over andere zaken. Ze gebruiken allemaal dezelfde wetenschappelijke methode, maar komen tot andere complementaire besluiten. Als elke discipline andere vragen stelt, welke vragen moet een leerkracht natuurwetenschappen dan stellen? De conclusie is onvermijdelijk: Als de leraar natuurwetenschappen de essentie van fysica, biologie en chemie tot uiting moet brengen, dan moeten zowel de biologische, de chemische als de fysische vragen in de klas kunnen gebracht worden. Dit veronderstelt dat de leraar: 1. onderlegd is om al deze vragen te stellen en een wetenschappelijk correct antwoord te geven; 29 2. in staat is deze drievoudige essentie te openen voor zijn leerlingen; 3. zelf geïnteresseerd is in al deze vragen. Voor de lerarenopleiding resulteert dit in de opgave om dit te realiseren in de persoon van één leraar. Dit vraagt van de leraar (in opleiding) dat hij/zij 1. de biologische, fysische en chemische vakinhouden beheerst; 2. deze biologische, fysische en chemische inhouden vakdidactisch kan ontsluiten; 3. geïnteresseerd is in chemische, biologische en fysische inhouden en er aandacht voor kan vragen in de klas Hoewel complex, kan aan vakinhouden (1) en vakdidactiek (2) gewerkt worden. Maar hoe kan men er een leerkracht toe brengen om geïnteresseerd te zijn in een onderwerp (3)? Heb je al eens les moeten geven over iets wat je niet interesseert? Het SoE-project “Liefde voor het Vak” toonde aan dat het noodzakelijk is dat de leerkracht liefde heeft voor zijn vak om in staat te zijn aandacht te vragen voor een bepaalde inhoud. Immers, pas vanuit een liefdevolle verhouding van de leerkracht tot wat zich aandient in de klas, kan dat wat voorligt op een aandachtige wijze ontsloten worden voor de leerlingen (Ardui, et al., 2012). Een geïntegreerd vak natuurwetenschappen veronderstelt bijgevolg een liefhebbende houding van de leerkracht natuurwetenschappen tot inhouden van natuurwetenschappen die biologisch, fysisch en chemisch van aard zijn. 30 3.1.2 Kwaliteitsindicator 2: Het vak afstemmen op het leren van lerenden Wat kun je op welk moment van een lerende leerling verwachten? Hoe kun je de vakkennis naar leerlingen vertalen en herschikken? Een goed vioolspeler is niet noodzakelijk een goed muziekleraar Een goede vakdidactiek slaagt erin om een stuk van de werkelijkheid te openen voor leerlingen. Het openen van vaak moeilijke en abstracte wetenschappelijke inzichten, waar de mensheid soms lang over gedaan heeft, is verre van evident. Een goed leraar zal er bij zijn lesopbouw rekening mee houden hoe de leerlingen leren zonder dat dit de essentie van het vak in het gedrang brengt. Dit betekent dat de leerlingen maar zeker ook de leraren, de 3 disciplines van natuurwetenschappen en de verbanden ertussen moeten begrijpen. In het andere geval dreigt het vak natuurwetenschappen herleid te worden tot een louter memoriseren van de leerinhouden. Leerlingen brengen preconcepten mee uit het dagelijks leven Leren houdt steeds een verandering in: je leerlingen hebben immers al beelden, opvattingen… over de leerinhoud voordat die ter tafel ligt in de school. Men zegt dat leerlingen reeds preconcepten hebben over de leerinhoud voor je les. Fig1 Aristarchos van Samos opperde dat het de aarde was die rond de zon draaide en niet omgekeerd. Maar dat vonden zijn tijdgenoten een belachelijk idee. Immers je zou toch van de aarde afvliegen. De oude Grieken beriepen zich op de dagelijkse ervaring om hun concepten te staven! De preconcepten van leerlingen zijn doorgaans afgeleid uit hun eigen ervaring of ingegeven door al dan niet vermeende verbanden die ze menen te herkennen. Preconcepten zijn vaak ad hoc en tegenstrijdig met andere verklaringen maar ze zijn doorgaans wel praktisch bruikbaar in de context van het dagelijks leven (bv. zware voorwerpen vallen sneller dan lichte of iets wat leeft, beweegt etc.). (Bron: California Academy of Science) De wetenschappen hebben ons echter geleerd dat wat we waarnemen in het dagelijks leven, ons lang niet altijd het juiste inzicht geeft. Onze waarneming is immers vaak particulier, en ingegeven door onze eigen opvattingen. Zo nemen we toch waar dat de zon opkomt en ondergaat en het lijkt dus logisch voor jonge kinderen om te veronderstellen dat de 31 zon rond de aarde draait. Kinderen zullen vele verschijnselen interpreteren volgens de hun bekende concepten uit het dagelijks leven (Boersma, van Graft, & Knippels, 2009). Voorbeeld 1. Het ‘verdwijnen’ van suiker in water, wordt door jonge kinderen vaak geduid als ‘smelten’ omdat ze dit interpreteren als het omzetten van de vaste stof suiker in een vloeistof, een concept dat ze kennen. Het wetenschappelijk concept van oplossen, wat hier voorligt, is veel abstracter en vergt het zich voorstellen van deeltjes suiker en deeltjes water die je niet rechtstreeks kan waarnemen. Bovendien moet men zich voorstellen dat die onzichtbare deeltjes ook nog eens bewegen, waardoor het proces van oplossen mogelijk wordt. Voorbeeld 2. De leerlingen denken dat levensfuncties als ademen, voeden, uitscheiden gebeuren op het niveau van de organen. Ze herkennen niet dat dit niveau de opstap is naar het niveau waar het werkelijk gebeurt, namelijk dat van de levende cel. (Bron: Open Universiteit Ruud De Moor Centrum) In de natuurwetenschappen gebruikt men ook vaak een aantal termen die een andere betekenis hebben in het taakgebruik van leerlingen. Zo betekent in de chemie een zuivere stof een stof die uit één soort moleculen bestaat. In het dagelijks leven bedoelen we met zuiver vaak iets dat gezond is, zoals zuivere boslucht, zuiver water. A Hoe leerlingen ertoe brengen hun preconcepten in vraag te stellen? Het vergt een adequate vakdidactiek en het kost de leraar ook moeite om leerlingen zo ver te krijgen dat ze hun denkbeelden over de wereld durven in vraag stellen. Hoe moet de leraar handelen zodat leerlingen bereid zijn om hun preconcept te ruilen voor het diepere en wetenschappelijk juiste concept? Volgens de literatuur zijn er minstens 2 effectieve methoden om preconcepten aan te pakken in je les: - Door het scheppen van een cognitief conflict: een verschijnsel aanbieden dat niet kan verklaard worden met het preconcept of dat de tegenstrijdigheid ervan toont (statusverlagend, zie (Posner G. J., 1982)). Pas dan kan het wetenschappelijk concept geïntroduceerd worden (statusverhogend). Het is daarbij belangrijk in voldoende contexten te laten zien dat het nieuwe concept werkt (Taconis & Terwel, 1999). Bv. de ervaring dat je om een beweging in stand te houden ‘moet blijven duwen’ is geen natuurwet maar een indruk omdat je geen rekening houdt met de wrijvingskracht. Je geeft situaties waarbij er (haast) geen wrijving is en gaat dan naar situaties waar de wrijvingskracht even groot is dan de aandrijfkracht. In zo een geval is dus de netto-kracht nul en is er dus geen verandering in bewegingstoestand (traagheidsbeginsel). - Het blijkt ook dat men pre- en misconcepten van leerlingen kan veranderen door het gebruik van analogieën. Het gebruik van analogische relaties tussen bekend en onbekend kan hen helpen om nieuwe informatie te leren en misconcepten bij te stellen. Zie bv.(Clement, 1993), (Glynn & Takahashi, 1998), (Stavy, 1991) en (Dragher, 1994). Het is bij deze aanpak wel belangrijk erover te waken om samen met de analogie geen nieuwe misconcepten te introduceren. Bv. Bij de start van een les over elektriciteit en energie wordt er gepraat over waterstroming, en niet meteen over elektrische stroom. Men kan verscheidene voorbeelden geven (stroming van water in een rivier, achter een stuwdam, in aders enz.) zodat de leerling de kans krijgt om een cognitieve structuur m.b.t. het begrip 'stroming' te maken. Pas dan is de leerling klaar om het abstractere ‘elektrische stroom’ te kunnen vatten. De specifieke natuurkundige concepten van elektrische stroom, kunnen nu in dit bredere begrippenkader van ‘stroom’ geplaatst worden. 32 Figuur 5 Analogie van elektriciteit met waterhydraulica (Bron: Universiteit Toronto) B Preconcepten veroorzaken wel eens vaker hardnekkige misconcepten Blijven de leerlingen vasthouden aan hun preconcept ook nadat ze wetenschappelijk onderwijs hebben genoten, dan spreekt men van een misconcept. Het gebeurt dat oudere kinderen (en zelfs studenten lerarenopleiding) nog steeds hetzelfde preconcept aanhouden soms zelfs na jaren van wetenschappelijk onderwijs. Bv. Men vraagt aan leerlingen waar de massa vandaan komt als een zaadje uitgroeit tot een boom. De leerlingen zeggen: “de zon, de bodem, regen, voedingsstoffen”. Men vraagt hetzelfde aan universiteitsstudenten die allen biologie gehad hebben met lessen fotosynthese. Maar vele van deze studenten zijn niet in staat om juist te antwoorden en te melden hoe in planten, onder invloed van licht, koolstof uit de lucht met water reageert tot suikermoleculen. Velen melden dat de massa van een plant uit de bodem komt en niet uit de koolstof uit de lucht. Nochtans komt de koolstof in een plant wel degelijk uit de lucht. Het preconcept uit het dagelijks leven dat lucht te licht is om zo een zware boom te ‘maken’ overleeft (zie Lessons From Thin Air, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics – 1997 –http://www.learner.org/vod/vod_window.html?pid=77). Onderwijs kan helaas ook zelf misconcepten introduceren Zoals gezegd moet men er steeds beducht voor zijn dat het onderwijs geen misconcepten in de hand werkt of zelfs introduceert. Een voorbeeld van dat laatste is het beeld dat het onderwijs meegeeft wat betreft de natuurwetenschappelijke methode en het onderzoekend leren (de manier waarop een wetenschapper kennis ontdekt). 33 In de literatuur wordt aangetoond dat de school een redelijk eenzijdig en normerend beeld geeft van de natuurwetenschappelijke methode als het volgen van een aantal ‘regeltjes’. We citeren: (Chinn & Malhotra, 2002): “Many scientific inquiry tasks given to students in schools do not reflect the core attributes of authentic scientific reasoning.”3 (Hodson, 1998) onderzocht meer authentieke voorstellingen van onderzoek in het schoolcurriculum en stelde: “Scientific inquiry is holistic, fluid, reflexive, context-dependent […], not a matter of following a set of rules…”4 (Hadzigeorgiou, Fokialis, & Kabouropoulou, 2012) melden hoe de school ten onrechte het bestaan van ‘één juiste wetenschappelijke methode’ voorhoudt: “Given that there is no “universal scientific methodology”, scientists can approach and solve the problems they face in their research in many possible ways”5. Geen onderzoek zonder experiment? Ons onderwijs geeft leerlingen ook de indruk dat er geen onderzoekend leren zou kunnen bestaan zonder experiment. In werkelijkheid voeren veel onderzoekers nooit een experiment uit, maar zijn zij bezig met gedachtenexperimenten en het uitwerken van nieuwe concepten en ideeën. De natuurwetenschappelijke methode met zijn strikte opvolging van fases is misschien eerder een schools concept dan een wetenschappelijk. We durven dan in deze inspiratiegids ook pleiten de natuurwetenschappelijke methode als een leidraad te zien die men meer open mag benaderen en aanpassen aan de context van het te onderzoeken probleem. Precies omdat wetenschappers zelf dat ook doen. Dit kan de vakdidactiek van de natuurwetenschappen verrijken en heeft de potentie om elementen van creativiteit, verwondering een essentiëlere rol toe te kennen in onze didactiek zoals in de wetenschappen zelf. Het is frappant dat de natuurwetenschappelijke methode, die net als bindmiddel geldt voor de 3 disciplines, vaak op een verkeerde en stereotiepe manier in de klas wordt toegepast. Hier is nog werk voor de verbetering van de vakdidactiek natuurwetenschappen. 3Zie p. 175 in: (Chinn & Malhotra, 2002) 4 Zie p. 199 in: (Hodson, 1998) 5 Zie p. 606 in: (Hadzigeorgiou, Fokialis, & Kabouropoulou, 2012) 34 Uit het “zesde gebod voor de leerkracht natuurwetenschappen” 6 Totdat uw ogen dichtvallen en de middernachtkaars flikkerend uitgaat, zult ge streven naar het bedenken van visuele analogieën voor abstracte relaties en verschijnselen die niet direct geobserveerd kunnen worden. Want het is via dergelijke analogieën dat het menselijke brein inzicht wint in dingen die onze zintuigen niet direct kunnen waarnemen. Uit de 27 geboden van de leraar natuurwetenschappen (bron: Walt Scheider, University of San Carlos, vertaling: Ed van den Berg, opgehaald op 20 februari 2013 www.fontys.nl/lerarenopleiding/sittard/nattech/didactiek/literatuur/27geboden.doc 6 35 C Belang van een consistente curriculumopbouw De volgorde, opbouw van het vak is heel cruciaal om het leren van de leerlingen mogelijk te maken. Zowel fysica, chemie als biologie hebben hun eigen consistente opbouw. Als je de 3 vakken samenvoegt in één vak, dan is de vraag wat is dan de logische didactische opbouw? De oplossing van dergelijke problemen vergt een grondig wetenschappelijk gefundeerd curriculumonderzoek. Neem als voorbeeld het begrip energie. Het wordt in biologie, chemie en fysica gebruikt en het gaat telkens over hetzelfde wetenschappelijk concept energie. Door het begrip in de verschillende vakken te gebruiken dreigen leerlingen het concept energie als drie verschillende begrippen te beschouwen. Het vak natuurwetenschappen biedt een kans om dit te vermijden. Toch is dit niet eenvoudig aangezien energie een fundamenteel, en vrij abstract, concept is uit de fysica. D Concept Cartoons Er zijn een aantal cartoons ter beschikking waarmee men de (pre)concepten rond een getoond fenomeen ter sprake kan brengen in de klas. We geven hier enkele als voorbeeld maar je kan er zeker meer vinden en ze bv. gebruiken om je probleem conceptueel scherp te stellen in je les. Zie bv. (Keogh & Naylor, 1999) en (Debusschere, 2005) Een concept cartoon rond de (pre)concepten van elektrische stroom (Bron: Arteveldehogeschool gebaseerd op Keogh & Naylor 1999). 36 Een concept cartoon rond de (pre)concepten van genetische informatie in pollen cellen (Bron: Point Loma Nazarene University San Diego, USA). E Concept Tests Het doel van concept test is meestal om snel bij het begin van een les, na te gaan hoe het gesteld is met de preconcepten van de leerlingen. Eventueel kan, na het einde van je les(senreeks), met dezelfde test nagegaan worden of de concepten zijn bijgesteld. In een concept test wordt geen loutere kennis gevraagd maar beschrijft men doorgaans een situatie of een probleem waarin het wetenschappelijk ‘concept’ dient toegepast te worden. De leerlingen moeten de uitkomst van een experiment voorspellen of de uitkomst van een probleem geven. Concept testen kunnen toepassing van (eenvoudige) wiskundige betrekkingen vergen. Als je een concept test wil gebruiken of maken, is het natuurlijk zaak om zelf heel goed te begrijpen wat de kernconcepten zijn van een bepaalde inhoud. Het opstellen van een concept test is bijgevolg een goede test voor een leraar in opleiding om te kijken of men zelf de wetenschappelijke concepten kan identificeren. Meestal neemt een concept de vorm aan van meerkeuzevragen. In dat geval is het zaak om de distractors goed te kiezen: zij geven meestal de antwoorden gebaseerd op de bekende of verwachte misconcepten. 37 Enkele voorbeelden van vragen uit concept tests7: Over concepten in golftheorie: Drie golven planten zich voort in dezelfde snaren. Golf B heeft een dubbele amplitude dan de andere twee. De golflengte van golf C is de helft van de andere twee. Welke van de golven plant zich het snelst voort? □ □ □ □ A: golf A B: golf B C: golf C D: alle golven gaan even snel vooruit vwave y A x y B x y C x Over de chemische binding: Het element neon heeft 8 elektronen op de buitenste schil. Hoeveel atoombindingen kan Ne vormen? □ □ □ A: geen enkele B: 4 C: 8 Over celbiologie: Een cel die enzymen, DNA, ribosomen, mitochondrieën en een plasma membraan bevat, is: □ □ □ □ □ A: een bacteriële cel B: een dierlijke cel, geen cel van een plant C: een cel van een plant, niet van een dier D: het kan een cel zijn van elk organisme E: het kan de cel zijn van een plant of van een dier Concept Maps Concept maps geven een grafische representatie van de concepten en de samenhang ertussen. 7Bron: University of Colorado Science Education Initiative 38 Eer je een concept map kunt tekenen, moet je de (vermeende) kernconcepten kunnen identificeren. Belangrijk is om de concepten in een logisch hiërarchische structuur te kunnen rangschikken en concepten te kunnen onderscheiden van situaties of contexten en voorbeelden (let wel deze laatste mogen wel voorkomen op concept maps maar dienen als zodanig geduid te worden). Concept maps evolueren naarmate inzicht en kennis toenemen. Het is daarom een goed idee om een software tool te gebruiken om ze aan te maken (hiermee kan je immers makkelijk wijzigingen aanbrengen bv. iMindMap) Concept maps kunnen bv. gebruikt worden: 1. Om als leraar de kernconcepten te identificeren en te ordenen bv. bij de voorbereiding van lessen 2. Als oefening voor leerlingen: men kan leerlingen concept maps laten maken of voorgemaakte laten aanvullen. Het vertelt veel over hoe zij de concepten zien en hun samenhang. Men kan leerlingen vragen een concept map te maken in het begin van een lessenreeks en deze te verbeteren naar het einde toe. Voorbeeld van een concept map (Debusschere, 2005) Conclusie voor de vakdidactische opleiding: Een goede leraar natuurwetenschappen houdt rekening met de preconcepten van de leerlingen voor de 3 disciplines, wat niet vanzelfsprekend is. Daarenboven draagt de leraar zijn eigen preconcepten mee. Dat probleem stelt zich scherper voor een leraar natuurwetenschappen opgeleid in slechts één of enkele van de disciplines. Een adequate lerarenopleiding dient dan ook de preconcepten in de 3 disciplines weg te werken. 39 F Praktijkoefeningen Praktijkoefening 1: het gebruik van termen in de wetenschappen en in het dagelijks leven: - In welke betekenis wordt het woord kracht gebruikt in het dagelijks leven in vergelijking met de natuurkundige betekenis ervan? - In welke betekenis wordt het woord soort gebruikt in het dagelijks leven in vergelijking met de biologische betekenis ervan? Praktijkoefening 2: het ontwerp van een concept test: Opgave: - Kies een bepaald natuurwetenschappelijk onderwerp - Identificeer de wetenschappelijke basisconcepten die nodig zijn in een concept map en omschrijf ook telkens de concepten - Ontwerp een concept test van een 5-tal meerkeuzevragen die je toelaten snel na te gaan hoe het staat met de preconcepten van je leerlingen aangaande dit onderwerp. Praktijkoefening 3: preconcepten: Bedenk een goede strategie om ervoor te zorgen dat volgende preconcepten aangepakt worden: - Kinderen denken dat bij een brandende kaars, enkel de lont brandt en het kaarsvet niet. Ze denken dat het kaarsvet ‘smelt’ en alleen maar dient om het branden van de lont te vertragen. In werkelijkheid is het vooral het kaarsvet dat verbrandt. - Hoe kan een plant vanaf een zaadje zo zwaar worden? Waar komt al die massa vandaan? Vele leerlingen antwoorden dat de massatoename ‘uit de bodem’ komt. - Als bij een chemische reactie een neerslag wordt gevormd, denken leerlingen dat de massa toeneemt; de dichtheid van een vaste stof is immers meestal groter dan die van een vloeistof. Praktijkoefening 4: een meer open natuurwetenschappelijke methode: 1) Bij om het even welk leerlingenpracticum geven we als leraar wel eens de indruk dat men in de wetenschappelijke methode het experiment nodig heeft om wetten, modellen of theorieën af te leiden. Daardoor beseffen leerlingen onvoldoende dat ze inductief te werk gaan van concrete gevallen naar veralgemeningen en dat dus hun experiment geen bewijs is, maar wel een bevestiging kan zijn van een bepaalde wet/model of theorie. Stel een strategie voor die leerlingen de juiste draagwijdte van een experiment leert zien in het wetenschappelijk denken. Illustreer deze aanpak met een concreet inhoudelijk voorbeeld. 2) Leerlingen beseffen dat je met de ideale gaswetten heel wat fenomenen kunt verklaren, ook al heb je in de praktijk steeds met een reëel gas en nooit met een ideaal gas te maken (bv. de bandenspanning van autobanden moet je meten bij koude banden). Om tot eenvoudige 40 universele wetten te komen, wordt in de fysica meestal met vereenvoudigde, ideale systemen gewerkt, maar desondanks zijn de wetten vaak heel bruikbaar in reële situaties. Leerlingen kunnen vaak niet begrijpen dat de fysica precies moet idealiseren (en dus de werkelijkheid vereenvoudigen) om net – binnen zekere grenzen – toepasbaar te worden in de werkelijkheid. Bedenk een aanpak waarmee je de leerlingen dit inzicht leert begrijpen. Illustreer met een concreet voorbeeld. 41 3.2 Didactiek relevant vertalen 1. Een kennisbasis algemene didactiek 2. Relevant vertalen naar de didactiek van het eigen vak 3.2.1 Kwaliteitsindicator 3: Een kennisbasis algemene didactiek Welke zijn de belangrijkste thema’s/deelthema’s (evalueren, beginsituatie, werkvormen, …) van de didactiek als wetenschap? Welke verbanden zijn er tussen deze elementen? Elke vakdidacticus heeft een kennisbasis algemene didactiek nodig. Immers de algemene didactiek brengt ons generieke inzichten die geldig zijn bij het leren van elk vak. Zo zijn er algemene ontwikkelingspsychologische inzichten, modellen rond leerstijlen e.d. Maar een goede leerkracht weet deze didactische principes en inzichten te vertalen naar zijn eigen vak (zie vak3dactisch model in de inleiding). In deze gids zullen we stilstaan bij het vermogen tot metacognitie bij leerlingen om daarna in kwaliteitsindicator 4 dit didactische inzicht naar de vakdidactiek van natuurwetenschappen te vertalen. A Metacognitie: denken over het (eigen) denken Aan lagere schoolkinderen werd gevraagd om een aantal items te onthouden en daarop te studeren totdat ze het perfect konden reproduceren(Flavell, 1979). Het bleek dat oudere kinderen een tijdje studeerden. Toen ze zeiden dat ze klaar waren, toonden ze dat ze zich de items erg goed herinnerden. Jongere kinderen daarentegen studeerden ook een tijdje, maar bleken de leerstof onvoldoende te kennen, ook al dachten ze van zichzelf dat ze voldoende gestudeerd hadden. Uit gelijkaardige resultaten blijkt dat jongere kinderen erg beperkt zijn in hun kennis over hun eigen cognitie, in hun metacognitie. Ze screenen bv. hun eigen geheugen en hun eigenbegrip weinig. Dit maakt dat oudere personen beter zijn in het kritisch evalueren van de eigen cognitie? Kunnen we niet het leren bevorderen door de eigen metacognitie te bevorderen? Als leerkracht word je wel vaker geconfronteerd met het denken van de leerling: Als u het voordoet, dan kan ik het. Maar als ik straks een leeg blad voor me heb… Als leerkracht moet je dus niet enkel bekommerd zijn om het ‘uitleggen’ van de inhoud, maar ook om het aanleren van strategieën die het leren zelf bevorderen. Men kan bv. kinderen leren om zichzelf vragen te stellen, om zich items in gedachten voor te stellen enz. Al deze strategieën hebben in principe de potentie om het leren te bevorderen, hoewel het feitelijke 42 succes persoonsgebonden is. Een succesvol leraar weet de metacognitie van zijn leerlingen te versterken door niet enkel het leerresultaat te bekrachtigen maar elke betere leerstrategie die de leerling verwerft (ook al is het een kleine) te waarderen(Van de Keere & Vervaet, 2013)(Van Houte, Merckx, De Lange, & De Bruyker, 2013). Een didactiek met aandacht voor metacognitieve vaardigheden stimuleert dus leerlingen om stil te staan bij hun eigen denkproces. Om hen te helpen ‘weten wat je weet’, kan een leerkracht volgende fases doorlopen met de leerlingen(Hukom): Fase Metacognitieve benadering Onderzoek de voorkennis van Laat leerlingen bewust worden van hun voorkennis en 1 de leerling en bepaal de leid hen naar het probleem toe context Stimuleer de nieuwsgierigheid Moedig de leerling aan om voorspellingen te doen over 2 van de leerling (of de uitkomst verwondering) Begeleid het proces om tot de 3 Selecteer mogelijke oplosstrategieën uitkomst te komen. Controleer en vat het leerproces samen. Corrigeer Reflecteer op de ideeën 4 fouten. Analyseer de gevolgde oplosstrategie. Verander van de leerling het leerproces indien noodzakelijk. Kinderen moeten de kans krijgen uit te leggen waarom ze denken wat ze denken en waarom dit volgens hen logisch is. Kinderen worden zo metacognitief sterker, en verwerven informatie over hun concepten én strategieën, zoals conclusies trekken, notities nemen, vragen stellen, … waarbij ze ook geleidelijk aan beter weten waarom en wanneer ze een bepaalde strategie toepassen. Dit proces, waarmee kinderen stilstaan bij hun denkwijze, helpt hen om het begrip van de toegepaste concepten uit te diepen. B Praktijkoefening Neem een lesvoorbereiding. Ga na hoe je de metacognitie kunt versterken in je les geven. Vul dit concreet in in je voorbereiding. Voer het uit in je volgende stage. Deel je ervaringen met je vakdidacticus en je mede-studenten. 43 3.2.2 Kwaliteitsindicator 4: Didactiek relevant vertalen naar de didactiek van het eigen vak Hoe kan ik thema’s uit de didactiek vertalen naar de eigen vakdidactiek? Hoe kan ik de onderwijsvisie van de eigen opleiding vertalen naar de eigen vakdidactiek? A Metacognitie ondersteunt het onderwijs in wetenschappen Onderwijs in de wetenschappen is er in principe op gericht om wetenschappelijke concepten aan te brengen. Het is bekend en in verschillende onderzoeken aangetoond dat alternatieve concepten van leerlingen hardnekkig weerstand bieden tegen verandering: een soort ‘traagheidbeginsel’, zie (Posner G. J., 1982)(Posner & Gertzog, 1982). Het is nu precies bij zulke ‘nieuwe’ en dus voor het individu ‘gevaarlijke’ kennis (want in tegenspraak met zijn referentiekader tot nu toe) dat metacognitie belangrijk wordt: eenvoudige stapjes worden nodig, bevestiging, zich iets grafisch voorstellen, omkijken, beslissingen nemen, zichzelf vragen stellen, reflecteer op de gekozen oplossingsstrategie e.d. kunnen het verschil uitmaken tussen het bereiken van conceptual change of in conceptual resistance blijven steken. (Hondebrink & Jansen, 1991)beschrijven volgende heuristiek die kan aangeleerd worden bij het oplossen en het formuleren van wetenschappelijke vraagstukken en verklaringen. Zulke metacognitieve hulp kan belangrijk zijn voor leerlingen: 1. Analyse: Wat is er aan de hand? a. b. c. d. Lees de opgave Maak een tekening of een schema Schrijf op wat er precies gevraagd wordt, wat er gegeven is. Schat de grootteorde van de uitkomst, noem de eenheid 2. Plan: hoe ga ik dat aanpakken? Schrijf kort op hoe je aan het antwoord denkt te komen. Ga eventueel van het gevraagde terug naar het gegeven. 3. Uitwerking: wat is het antwoord? Voer het plan uit: schrijf de berekening of de verklaring uit. 4. Controle/reflectie: kan dat kloppen? a. Ga na of de vraag beantwoord is. b. Controleer de orde van grootte, de eenheid en het aantal beduidende cijfers c. Geef zo nodig enige commentaar. 44 B Voorbeeld van metacognitieve ondersteuning door een heuristiek Zoek de wetenschappelijke verklaring van het verschil in sublimatiesnelheid tussen 2 stoffen (naar Hondebrink & Jansen 1991): Dijoodkristallen Kaliumjodidekristallen Opgave: Een mengsel van jood I2 en kaliumjodide KI wordt verwarmd. Men neemt waar dat het jood sublimeert maar het kaliumjodide niet. Verklaar aan de hand van de bindingstypen in beide stoffen dat jood makkelijker sublimeert dan kaliumjodide. 1. Analyse: Wat is er aan de hand? I2 sublimeert KI sublimeert niet 2. Plan: hoe ga ik dat aanpakken? Een ionbinding (KI) is sterker dan een atoombinding (I2). In de ionbinding gebeurt een overdracht van elektronen waarbij metaalionen en nietmetaalionen ontstaan die samen een vaste ionenrooster vormen. Bij de 45 normale atoombinding is er geen polarisatie. Tussen de moleculen treden alleen zwakke van der Waalskrachten op. Op grond daarvan kunnen we het verschil in sublimatiesnelheid verklaren. 3. Uitwerking: wat is het antwoord? I2 is een binding tussen 2 atomen van dezelfde soort. Beide atomen ‘trekken’ de elektronen op gelijke wijze naar elkaar toe (normale atoombinding). Dit maakt dat er geen ladingscentra in het I2-molecule voorkomen. Tussen I2-moleculen treden er enkel lichte momentane ladingsverschuivingen op (van der Waalsbindingskrachten) zodat tussen de I2-moleculen de aantrekkingskrachten klein blijven. Bij verwarming zullen de intermoleculaire krachten sneller doorbroken worden door thermische agitatie (bewegen van de moleculen). Bij KI betreft het een binding tussen atomen van verschillende soort. Het element jood is veel elektronegatiever (trekt de elektronen sterker naar zich toe) dan kalium. Dit betekent dat we een ionbinding krijgen. Het molecule KI zal aan de kant van kalium een positieve lading krijgen, aan de kant van jood een negatieve lading. Door deze sterke elektrische polarisatie zal in het rooster tegen de positieve kalium kant steeds een negatief jodiummolecule gaan ‘plakken’ (elektrische aantrekking). Het ionenrooster is veel stabieler door sterke elektrische aantrekkingskrachten en biedt dus weerstand tegen verwarming. 4. Controle/reflectie: kan dat kloppen? Het model verklaart op grond van het verschil in elektrische aantrekking tussen de moleculen het verschil in stabiliteit van het vaste kristalrooster. C Zich bewust worden van de eigen (pre)concepten door voorspellingen te doen Metacognitieve ondersteuning leidt tot een meer permanent herstructureren en begrijpen van concepten bij kinderen. In de literatuur blijkt evidentie te bestaan dat ondersteuning van metacognitie de wetenschappelijke geletterdheid bevordert (Van de Keere & Vervaet, 2013). Het is daarbij belangrijk dat de leerling zich bewust wordt van zijn eigen preconcepten. Vandaar het belang van concept tests, niet alleen voor de leraar maar ook voor de leerling zelf. Laat de leerling ook voorspellingen (hypothesen) doen op basis van zijn (pre)conceptueel model. Door gefundeerde hypothesen te doen, wordt hij verplicht te redeneren (Van Houte, Merckx, De Lange, & De Bruyker, 2013). De confrontatie van de uitkomsten met verdere logische of experimentele aftoetsingen, biedt de mogelijkheid om tot een conceptual change te komen. Het begrijpen van wat wetenschappen is Men kan de positieve correlatie tussen metacognitie en het leren van wetenschappen ook toepassen op de Nature of Science zelf. Het juist begrijpen van de betekenis van de ‘Nature of Science’ door de leerlingen (hoe wetenschappen werkt), is belangrijk voor het leren van wetenschappen. Anders gezegd: het leren over wetenschappen, bevordert het leren van wetenschappen.(Van Houte, Merckx, De Lange, & De Bruyker, 2013) 46 Wie een recept volgt, weet daarom nog niet wat koken is. Je moet het ook hebben over wat koken eigenlijk is, ten einde het koken zelf te verbeteren. We moeten toegeven dat Vlaanderen hierin nog een weg af te leggen heeft en men er vaak van uitgaat dat men door wetenschappen in de klas te bedrijven wel zal begrijpen wat men aan het doen is. Net zoals bij het koken, blijkt dit een ‘preconcept’ te zijn (dit keer van de leerkracht!) dat helaas niet geldig is in de vakdidactiek. D Voorbeeld over de nature of science: De idealisering in de fysische theorie. In de fysica duikt vaak een vereenvoudiging van de werkelijkheid op. Vele leerlingen hebben de premisse dat vermits de vereenvoudigde werkelijkheid niet bestaat, en de fysica dit nu juist veronderstelt, aantoont dat de fysica irrelevant is voor de werkelijkheid en slechts theoretische bezigheid is zonder ‘nut’. Bv. naar aanleiding van het leren van de gaswetten duikt de notie ‘ideaal gas’ op. Maar het is duidelijk dat een ideaal gas in werkelijkheid niet bestaat. Dus volgens sommige leerlingen ‘is men dus niets met dit ideaal concept’. Een leraar die zich bewust is van dit hardnekkig preconcept bij leerlingen kan hierop bewust metacognitief reflecteren met de leerlingen. Een suggestie zou kunnen zijn: Sta stil bij het begrip cirkel uit de wiskunde: dit bestaat ook nooit echt (want een punt op de cirkel heeft geen afmetingen, dus je kan het nooit tekenen). Toch is het concept van de cirkel heel praktisch in de werkelijkheid. Om tot eenvoudige universele wetten te komen, zal fysica ook vaak met vereenvoudigde, ideale systemen werken, maar desondanks of precies daarom kan men komen tot wetten, zoals de ideale gaswetten, die toch vaak heel bruikbaar zijn in reële situaties (zij het benaderend). D Praktijkoefeningen 1. Neem een opgave (een vraagstuk of een probleem dat om een wetenschappelijke verklaring vraagt). Schrijf de fases van de heuristiek (Hondebrink & Jansen, 1991)uit. 2. Neem een lesvoorbereiding of een lesonderwerp. Ga na hoe je kan inbouwen dat leerlingen voorspellingen doen op basis van hun (pre)concepten? Hoe zorg je ervoor dat ze deze preconcepten bijstellen? 3. Wat zou je de leerlingen willen leren over wat wetenschappen eigenlijk is. Lees terug de essentie van wetenschappen in kwaliteitsindicator 1. Beschrijf concreet hoe je de aandacht van de leerlingen op één (of enkele) van deze kenmerken in een les kan vestigen. Hoe laat je ze leren over wat wetenschappen eigenlijk is? Toets je suggestie af met je medestudenten en je vakdidacticus. 47 3.3 Het vak natuurwetenschappen (laten) uitdagen 3.3.1 Kwaliteitsindicator 5: De praktijk uitdagen Hoe kunnen nieuwe inzichten en concepten ontwikkeld in de vakdidactiek getoetst worden in de praktijk? Hoe kan ik praktijkervaringen faciliteren en coachen? Een kwaliteitsvolle vakdidactiek natuurwetenschappen dient de praktijk uit te dagen. Vakoverschrijdende contexten verklaren, waarbij begrippen uit fysica, chemie en biologie nodig zijn, vergt van de leerkracht natuurwetenschappen een grondige kennis van de disciplines afzonderlijk maar ook en in het bijzonder van hun onderlinge samenhang. Welke concepten zijn nodig om bovenliggend verschijnsel te begrijpen? “The logical presentation of science concepts guides students who do not have the support system in mathematics and science that customarily produces good science students.” (Bardeen & Lederman, 1998) De situatie is enigszins vergelijkbaar met wereldoriëntatie in de lagere school, waar ook inhoudelijke verbanden worden gelegd en een thematische aanpak wordt voorgesteld. Het blijkt dat zulk een geïntegreerde aanpak maar kan werken als voldoende ruimte wordt gegeven aan een stapsgewijze aanpak van elk benodigd (vak)concept, precies om de thematische integratie mogelijk te maken (Feys, 2002) . Integratie vergt dus een nauwkeurige inhoudelijke conceptanalyse en een goede didactische vertaling daarvan. Natuurwetenschappen daagt daarom leerkrachten uit om in uiteenlopende en soms in heel moderne en geavanceerde gebieden, op zoek te gaan naar verklaringen vanuit fysische, chemische en biologische inzichten en deze in hun onderlinge samenhang te tonen. Een juiste hertaling naar het niveau van de leerling, vraagt van de leerkracht een vakdidactische veelzijdigheid, bv. in het omgaan met experimenteel materiaal of in typische manieren van denken van het ‘andere’ vak. Dit vooronderstelt bij de leerkracht een brede interesse en verwondering voor de natuur, een bereidheid om zich in te werken in de fundamentele concepten en hun samenhang, op grond waarvan men tot een natuurwetenschappelijke verklaring kan komen. Indien deze bereidheid niet of onvoldoende bestaat, blijft men vaak steken in een opbouw vanuit zijn ‘vertrouwd’ vakgebied waarover hoogstens een vaag sausje van het andere vakgebied wordt overgegoten (‘plakwerkdidactiek’). Deze vakdidactische eenzijdigheid, produceert een voor leerlingen onbevredigende inhoudelijke vaagheid die ver staat van het beoogde coherente 48 natuurwetenschappelijk denken. Natuurwetenschappen is geen willekeurig conglomeraat maar opent net voor de leerlingen de mooie coherente samenhang van de wetenschappenwaar diepe concepten in staat zijn om complexe verschijnselen te kunnen verklaren. Wetenschappelijke eenheid dus in een veelheid van verschijnselen. A. De praktijk uitdagen: nanowetenschap In kwaliteitsindicator 1 gaven we aan dat in moderne gebieden zoals de nanowetenschap inzichten van de fysica, de chemie en de moleculaire biologie samenkomen. Dit onderwerp staat niet als dusdanig in de huidige leerplannen natuurwetenschappen, maar graag dagen we de praktijk hiermee uit. Immers met voorbeelden als colloïdale mengsels, emulsie en suspensie, molecuulgrootte, afmetingen van groot en klein,…. wordt in de natuurwetenschappen van de eerste en tweede graad, zonder het te benoemen, regelmatig gesproken over deeltjes van nanoafmetingen. De verwondering van de leerlingen kan opgewekt worden door een oriëntatie vanuit diverse contexten: foto’s, krantenkoppen, experimenten,…Uit de oriëntatie volgt een probleemstelling. Een antwoord op deze probleemstelling ontstaat in eerste instantie uit gemeenschappelijke kenmerken en in tweede instantie uit niet-gemeenschappelijke kenmerken van de aangebrachte voorbeelden. Belangrijk is het correct formuleren van deze kenmerken. Dit leidt tot een aantal algemene en een aantal specifieke basisbegrippen die op een begrijpelijke manier aangebracht moeten worden bij de leerlingen, rekening houdend met de voorkennis en achtergrond van de lerenden (kwaliteitsindicator2 en 3). Door de abstractheid van deze basisbegrippen moet zorgvuldig gewikt en gewogen worden welke de meest geschikte didactische aanpak is om de leerlingen deze nieuwe concepten bij te brengen. De kennis van de basisbegrippen laat de leerlingen toe ze te gebruiken bij andere voorbeelden uit het behandelde thema of bij een oriëntatie en studie van andere thema’s . In deze fase ontstaan weer nieuwe vragen en de nood om op zoek te gaan naar andere basisbegrippen. Een goede didactiek kan hier de samenhang tussen de fysica, de chemie en de biologie tonen (zie ook kwaliteitsindicator 1). De verschillende stappen van de lesopbouw worden gevisualiseerd in figuur hiernaast en concreet gemaakt in de voorbeelden hieronder beschreven. 49 Kader hertekenen. De zwarte kolommen moeten weg Figuur: Bij het bestuderen van verschijnselen in de natuur, begeef je je als leraar natuurwetenschappen, steeds op de 3 gebieden van het Vak3dactisch Model (vakinhoud, didactiek, praktijk). De vakinhoudelijke analyse brengt je naar de nodige “3-kleurige” concepten die je met een gepaste “3-kleurige” (vak)didactiek coherent tracht te ontsluiten voor de leerlingen. Oriëntatie Als oriëntatie om nanowetenschap in een les natuurwetenschappen te introduceren, kan je vertrekken vanuit verschillende invalshoeken bv.: Vertrekken vanuit contexten 50 Een gekko is in staat om aan een plafond te hangen en voort te bewegen. Foto’s in de aard van voorgestelde http://static.nationalgeographic.nl/pictures/genjUserPhotoPicture/original/06/89/28 /gekko-14-288906.jpg Een spuitbus met textielcoating maakt kledij waterdicht. Foto’s in de aard van voorgestelde http://www.farbeundlack.de/var/ezflow_site/storage/images/farbe-undlack/home/wissenschaft-technik/ressourcen-schonen-mitnanotechnologie/2234538-1-ger-DE/Ressourcen-schonen-mit-Nanotechnologie.jpg Ferrofluid is een vloeibare permanente magneet. Foto’s in de aard van voorgestelde http://tesladownunder.com/FerrofluidHVoff.jpg 51 Vertrekken vanuit krantenkoppen Een lever nagebouwd in een chip8 Nanobuizen blijken sterke gewichtheffers9 Nanokristallen als ijverige waterstofproducent10 Vertrekken vanuit foto’s Foto’s in de aard van de voorgestelde http://www.f1online.pro/en/image-details/394648.html http://www.atim.org.tn/web20/wp-content/uploads/2010/05/nanotechnologie1.jpg http://www.borisvanderham.nl/images/items/max608x420/debat_over_nanotechnologie _belangrijk.jpg De algemene vraag formuleren De algemene, gemeenschappelijke vraag die je kunt stellen is: Wat is nanowetenschap? Nanowetenschap is de studie van fundamentele principes van structuren met op zijn minst één dimensie tussen 1 en 100 nanometer. In de nanotechnologie gebruikt men deze kennis om nieuwe materialen en apparaten te maken. Zie Kennislink www.kennislink.nl/publicaties/een-lever-nagebouwd-in-een-chip opgehaald 20 februari 2013 8 Zie Kennislink www.kennislink.nl/publicaties/nanobuizen-blijken-sterkegewichtheffers opgehaald 20 februari 2013 9 Zie Kennislink www.kennislink.nl/publicaties/nanokristallen-als-ijverigewaterstofproducent opgehaald 20 februari 2013 10 52 Gemeenschappelijke kenmerken in de voorbeelden van de oriëntatie zoeken en visualiseren Deeltjesgrootte Nanowetenschap onderzoekt en ontwikkelt structuren, systemen en functionele eenheden, die kleiner zijn dan 100 nm. Een nanometer is een miljardste meter. Vanuit welke oriëntatie je ook vertrekt, welke toepassing je ook onderzoekt, leerlingen dienen eerst een goed beeld te krijgen van deze afmeting, de nanometer. Illustraties van het begrip nanometer kun je zowel vinden in de levende als de niet-levende materie: virussen (50 nm), buckyball (1 nm), zonnecel, … Voor een conceptueel begrip van de nanometer is het voor de leerlingen belangrijk de nanometer te zien in verhouding tot zintuiglijk waarneembare grootheden. Bv. de dikte van een haar bedraagt ongeveer 80 000 nm, nog juist zichtbaar. Nanoafmetingen betekenen dus ongeveer een 10 000ste van de dikte van een haar. Op de figuur zie je een nanowire op een haar (Bron figuur Nanoscale Informal Science Education11) . Nagels groeien ongeveer 0,1 mm per dag. Per seconde betekent dit 1,15 nm. Eenmaal de leerlingen conceptueel begrepen hebben om welke afmetingen het gaat, kan ingegaan worden op belangrijke afmetingen bij de voorbeelden uit de oriëntatiefase. Aan de onderzijde van de tenen heeft een gekko hechtlamellen die voorzien zijn van haartjes uit bèta-keratine van ongeveer 5µm. De haartjes zelf bestaan uit nog fijnere structuren, spatula van 200 nm die eindigen in extreem kleine uitlopers. Een textielcoating vormt een bijna onzichtbare laag – slechts een paar tientallen nanometer dik – op het oppervlak van de vezels. Nanoscale Informal Science Education www.nisenet.org/scientificimages/nanowire_resting_human_hair opgehaald op 20 februari 2013 11 53 Een ferrofluid is een dispersie van magnetische nanodeeltjes (magnetiet of maghemiet) in een vloeistof. Deze nanodeeltjes zijn ongeveer 10 nm groot. http://www.joostdevree.nl/shtmls/nanometer.shtml: natekenen!!!! Specifieke oppervlakte De toepassingen van de nanowetenschap zijn terug te brengen tot de unieke chemische, magnetische, mechanische en elektronische … eigenschappen van de nanodeeltjes , dit door hun enorm grote specifieke oppervlakte (oppervlakte/volume verhouding). Een beeld met Scanning Tunneling Microscopy (STM) van de spatula van de gekko, de textielcoating op een vezel of ferrofluida illustreren deze grote specifieke oppervlakten. STM van de spatula van de gekko Je kunt het belang van de specifiek oppervlakte eveneens experimenteel aanbrengen. De oxidatie van ijzer versnelt door het verkleinen van deeltjes en dus het vergroten van de specifieke oppervlakte van ijzer. Het enorme uitwisselingsoppervlak tussen longblaasjes en haarvaatjes laat een efficiënte gasuitwisseling toe. .. 54 Vanuit de voorbeelden van de oriëntatie op zoek gaan naar de nodige basiskennis De verklaring van de unieke eigenschap(pen) waar elke toepassing op steunt is, dient meestal zijn fundamenten te krijgen vanuit de verschillende wetenschappen. Deze praktijkoefening dwingt de vakken biologie, chemie en fysica enerzijds om in elkaar over te vloeien. Men onderzoekt fysische wetmatigheden, chemische materiaaleigenschappen en biologische principes. Anderzijds ondersteunen de methoden van de disciplines elkaar op dit niveau. De uitlopers van de spatula bij de gekko zijn zo klein dat ze op een atomair niveau worden aangetrokken door de ondergrond. Deze interactie, de van der Waalskracht, geeft de gekko zijn enorme kleefkracht. De van der Waalskrachten zijn hoofdzakelijk dispersiekrachten tussen tijdelijk gepolariseerde moleculen door zwakke tot zeer zwakke elektromagnetische krachten tussen atomen of moleculen. Een grondigere verklaring brengt je tot kennis van intermoleculaire krachten en elektromagnetisme. De textielcoatings vormen een hydrofobe laag. Het contactoppervlak tussen het water en het oppervlak van het behandelde voorwerp is zo sterk verkleind dat waterdruppels boven het oppervlak blijven liggen. Water is polair, de coatings zijn apolair waardoor de afstoting extra wordt versterkt. Een verklaring leidt je tot inzichten in polaire, apolaire, hydrofiele en hydrofobe stoffen en oppervlaktespanning. De zelfreinigende eigenschappen van het blad van de Lotusplant verklaar je op een gelijkaardige manier. De magnetietnanodeeltjes in het ferrofluidum bevatten maar één enkel magnetisch domein en zijn daardoor permanent magnetisch. Een magneet in de buurt van een ferrofluidum zal de magnetische nanodeeltjes aantrekken en de vloeistof blijft tussen de nanodeeltjes plakken. Samenstelling en bereidingswijze van ferrofluida enerzijds en basiskennis magnetisme anderzijds, verduidelijken de werking en toepassingen van de vloeibare magneten. Aangepaste didactiek aanwenden Een probleem bij de aanpak in het praktijkvoorbeeld kan de abstractheid van de begrippen in de wetenschappen zijn, nodig om de contexten te verklaren aan leerlingen, rekening houdend met hun voorkennis. Geschikte experimenten, filmfragmenten, effectieve analogieën, eenvoudige simulaties kunnen hierbij helpen. Mogelijke aanpakken voor het praktijkvoorbeeld zijn: aanbreng specifieke oppervlakte werking Analogie: kubus van 1 dm³ verder opdelen en de totale oppervlakte laten meten Experiment: 55 textielcoating magnetisme en elektromagnetisme van der Waalskrachten lotuseffect intermoleculaire krachten Papier of een slablad of droog witzand overspuiten met een spray om jassen waterdicht te maken en in een beker water leggen. Het behandeld papier, slablad of witzand blijven droog. Simulatie: Magnets and Electromagnets van Phet12 Filmfragment: Het verschil tussen een gas en een vloeistof – Vanderwaalsbinding13 Animatie: Het lotuseffect14 Animatie: Intermoleculaire krachten15 Zie, University of Colorado phet.colorado.edu/nl/simulation/magnets-andelectromagnets , opgehaald op 20 februari 2013 12 Zie Beeldbank www.schooltv.nl/beeldbank/clip/20031208_15_01vander opgehaald op 20 februari 2013 13 Zie de.wikipedia.org/wiki/Datei:LotuseffectAnimation.ogg opgehaald op 20 februari 2013 14 Zie Education of Scotland www.educationscotland.gov.uk/highersciences/chemistry/animations/intermolecularf orces.asp opgehaald op 20 februari 2013 15 56 Leerlingen met kennis van de basisbegrippen uitdagen door andere voorbeelden uit de natuur Het verbinden van de verschillende toepassingen (contexten) ondersteund door een kennis van de theoretische begrippen, kan leerlingen uitdagen om andere contexten rond het thema te willen begrijpen. Hierbij kunnen ze terugkoppelen naar uitgewerkte toepassingen. Ze zullen echter ook inzien dat vaak andere theoretische begrippen nodig zijn voor de verklaring. Door je huid met zonnecrème in te smeren breng je een laag nanodeeltjes aan. Deze deeltjes beschermen(absorberen) door hun afmetingen de huid efficiënt tegen schadelijke UV stralen. Deze kennis kan bij leerlingen volgende onderzoeksvragen oproepen: Wat zijn UV-stralen? Wat is licht? Wat is golflengte? Wat is absorberen? Nanopartikels, zoals nanobuizen van ijzer, kunnen de omzetting van verontreinigende stoffen naar minder of niet-schadelijke verbindingen in de bodem en in het grondwater katalyseren. Mogelijke onderzoeksvragen zijn: Wat zijn nanobuizen? Hoe kan men nanobuizen vormen? Wat is katalyse? Zonnecellen die uit meerdere lagen bestaan ( nanometers) hebben de hoogste rendementen. Het is ook mogelijk zonnecellen uiterst dun te maken zodat ze in de vorm van een folie gebruikt kunnen worden. Dit kan leiden tot volgende vragen: Wat zijn zonnecellen? Hoe werken zonnecellen? Behandelde basisbegrippen hanteren in nieuwe thema’s De opgebouwde basiskennis uit één thema dient zo sterk mogelijk gehanteerd te worden in de aanpak van een ander, nieuw thema. Met het praktijkvoorbeeld nanowetenschap kan de leerkracht natuurwetenschappen de aangebrachte basisbegrippen gebruiken in andere thema’s. Enkele voorbeelden… Basisbegrippen Thema’s microscopisch kleine deeltjes: de nanometer (alle contexten) de cel: studie van celorganellen biotechnologie colloïdale mengsels licht, golflengte (zonnecrème) het oog de broeikasgassen magnetisme (ferrofluida) natuurfenomenen 57 oppervlaktespanning (textielcoatings) fysische en chemische eigenschappen van stoffen polariteit van een stof, intermoleculaire krachten (de gekko, textielcoatings) fysische en chemische eigenschappen van stoffen wasmiddelen, een zegen voor de natuur? B. Uitgedaagd door lesonderwerpen uit de klas Het uitgewerkte voorbeeld nanowetenschap komt zoals eerder vermeld niet voor als suggestie in de leerplannen. In de enquête (zie kwaliteitsindicator 6) die we uitvoerden bij leerkrachten in de eerste en tweede graad SO, peilden we naar de onderwerpen waarbij deze leerkrachten kansen grijpen om binnen de huidige leerplannen interdisciplinair te werken binnen natuurwetenschappen. In de onderstaande tabel worden de resultaten van deze bevraging weergegeven. De praktijkgroep ziet nog andere mogelijkheden. Deze worden in kleur aangegeven. gehoor biologie fysica werking geluid chemie bouw oog werking optica bouw licht en kleur de microscoop lichtbreking lenzen spieren bouw krachten werking voeding stofwisseling energie voedingsstoffen biochemische aspecten in chemie stofomzettingen energetische waarde van stoffen deeltjesmodel aggregatietoestanden soorten mengsels faseovergangen chemische 58 oplossen classificatie organismen wateronderzoek en milieu milieuproblematiek transport in een organisme transport in organisme diffusie elektriciteit overdracht van prikkels (zenuwstelsel, werking van hersenen) elektriciteit energetische waarde voedingsstoffen warmte/joule energie reacties Stoffenklassen, tabel van Mendeljev faseovergangen organismen het gedrag van stoffen in water osmose energetische aspecten bij chemische reactie ontleding van stoffen arbeid vermogen energetische aspecten bij chemische reactie verbranding scheidingstechnieken stofeigenschappen mengsels en zuivere stoffen Nieuwe stoffen fysische eigenschappen chemische eigenschappen C Praktijkoefeningen 1) Verzamel eigen lesmateriaal voor een les rond nanowetenschappen op basis van onderstaande richtvragen: a) Zoek 3 toepassingen of verschijnselen in verband met nanowetenschappen, die de verwondering van de leerlingen kunnen prikkelen en bijgevolg gebruikt kunnen worden in de oriëntatiefase van een les over nanowetenschappen. b) Zoek 3 voorbeelden om de verhouding tussen nanometer en zintuiglijk waarneembare grootheden te illustreren. c) Wat is de grootte van de nanodeeltjes in jouw toepassingen? d) Zoek drie manieren om de grote specifieke oppervlakte van nanodeeltjes aan te brengen. e) Zoek de verklaring van de eigenschappen in jouw toepassingen. Welke natuurkundige wetmatigheden, chemische materiaaleigenschappen en/of biologische principes hanteer je hiervoor? 59 f) Zoek gepaste didactische manieren om de theoretische begrippen in jouw toepassingen aan te brengen rekening houdend met het abstractievermogen van de doelgroep leerlingen. g) Ga op zoek naar 3 andere thema’s waarin je basisbegrippen uit het praktijkvoorbeeld nanowetenschappen kunt gebruiken? 2) Doe hetzelfde voor een andere te integreren leerinhoud. 3.3.2 Kwaliteitsindicator 6: Uitgedaagd worden door de praktijk Hoe kan ik ‘de praktijk’ implementeren in mijn vakdidactiek? Hoe kan ik leren van de praktijk? A Leerkrachten en docenten over het vak natuurwetenschappen Leerkrachten secundair onderwijs en docenten hoger onderwijs worden vandaag reeds geconfronteerd met het vak natuurwetenschappen. Om te leren van hun bevindingen werd een enquête afgenomen, Deze werd geheel of gedeeltelijk ingevuld door 163 leerkrachten onderwijs en 27 docenten hoger onderwijs. De uitgebreide bespreking en precieze resultaten van de enquête kan je terugvinden op de website www.vakdidactiek.be/natuurwetenschappen Drie afzonderlijke vakken of één overkoepelend vak natuurwetenschappen? EERSTE GRAAD 81,2% van de leerkrachten secundair onderwijs geven aan dat biologie dominant aanwezig is binnen het vak natuurwetenschappen van de eerste graad. De interdisciplinaire aanpak wordt volgens 69,5% van de leerkrachten toegepast. Bij 57,1% van de leerkrachten geniet de interdisciplinaire aanpak ook de voorkeur. Deze groep leerkrachten vindt dus dat de huidige aanpak de goede is. 12,4% van de respondenten menen dat op dit ogenblik de interdisciplinaire aanpak gehanteerd wordt, maar verkiezen een andere aanpak, met name een geïntegreerde aanpak. Slechts 11 docenten hoger onderwijs vulden hun voorkeursmodel voor de eerste graad in. Het is dus moeilijk om op basis hiervan besluiten te trekken. 6 docenten verkiezen evenwel de interdisciplinaire aanpak en 4 docenten de geïntegreerde. 60 TWEEDE GRAAD In de tweede graad is er geen wetenschap dominant aanwezig binnen het vak natuurwetenschappen. In de richtingen waar het vak natuurwetenschappen ingericht wordt, gebruikt 28,5% van de leerkrachten SO geen enkele vorm van integratie in de richting. 59,2% past het interdisciplinair model toe, 12,2% volledige integratie. Tabel 1 toont welk model de voorkeur geniet van de leerkrachten in enerzijds de ASO-richtingen en wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen en anderzijds de KSO- en de nietwetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen. Figuur 1. Tabel 1: Voorkeursvorm van integratie in de tweede graad bij de leerkrachten SO Geen integratie ASO- + wetenschappelijk georiënteerde 32,6% TSO-richtingen Niet-wetenschappelijk georiënteerde TSO- 12,5% richtingen Interdisciplinair Geïntegreerd 65,2% 2,2% 37,5% 50% Het voorkeursmodel van de leerkrachten sluit opvallend goed aan bij de huidige situatie met enerzijds in de ASO-richtingen en wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen fysica, chemie en biologie als afzonderlijke vakken en anderzijds in de KSO- en nietwetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen het vak natuurwetenschappen. Bij docenten bestaat er minder eensgezindheid over de meerwaarde van het vak natuurwetenschappen in de richtingen waar het vak nu reeds wordt ingericht (eerste graad en de niet-wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen en alle KSO-richtingen in de tweede graad). De docenten zijn het wel eens over het feit dat natuurwetenschappen NIET in nog meer richtingen mag ingevoerd worden. Ook al pleiten veel docenten voor een interdisciplinaire aanpak, ze wensen dit te doen vanuit de drie wetenschapsvakken apart en NIET vanuit een overkoepelend vak natuurwetenschappen. De ideale vooropleiding Uit de resultaten komt een Lerarenopleiding Secundair Onderwijs aan de hogescholen met als vakkencombinatie biologie-fysica naar voor als de beste vooropleiding en dit zowel in de eerste als in de tweede graad. Opvallend is wel dat heel veel leerkrachten opmerkingen invulden. Velen pleiten voor een Lerarenopleiding Secundair Onderwijs met een vakkencombinatie biologie-chemie-fysica (21 keer 1e graad en 13 keer 2e graad). Ze vinden een grondige kennis in alledrie de wetenschappen een absolute voorwaarde om als leerkracht natuurwetenschappen te kunnen functioneren. 10 van de 12 docenten die de vraag beantwoordden, vinden een hogeschoolopleiding met de vakkencombinatie biologie-fysica de beste vooropleiding om natuurwetenschappen in de 61 eerste graad te geven. 2 docenten pleiten voor de vakkencombinatie biologie-chemie. Het feit dat slechts 1 hogeschool de drie wetenschappen volwaardig inricht kan hiervoor een verklaring zijn. In de tweede graad zien we een opvallende verschuiving naar de universitaire opleiding. 6 van de 12 docenten vinden een universitaire opleiding de beste voorbereiding om het vak natuurwetenschappen in de tweede graad te geven. Het is ook opmerkelijk dat 10 docenten uitdrukkelijk stellen dat een extra studiejaar voor het verwerven van een bijkomende onderwijsbevoegdheid in een wetenschapsvak wenselijk is. Slechts 4 docenten vinden een extra jaar overbodig. Het probleem stelt zich niet zo scherp in de eerste graad. De meeste docenten vinden de biologiestudenten voldoende opgeleid om natuurwetenschappen in de eerste graad te geven (maar niet de scheikunde- of fysicastudenten). Binnen de huidige structuur is het echter moeilijk voor de lerarenopleiders om de studenten voldoende voor het vak natuurwetenschappen in de tweede graad voor te bereiden. Er bestaat momenteel geen uniformiteit binnen de verschillende lerarenopleidingen in de opleiding van leraren natuurwetenschappen. Meerwaarden van het vak natuurwetenschappen Het leggen van verbanden tussen de drie disciplines wordt door veel leerkrachten SO als een meerwaarde gezien (14 keer). Het zorgt voor meer afwisseling (3 keer) en sluit meer aan bij de leefwereld van de jongeren (2 keer) wat de interesse voor wetenschappen verhoogt (4 keer) Elk onderwerp wordt slechts eenmaal behandeld (en niet in elk wetenschapsvak apart) wat ervoor zorgt dat herhaling vermeden wordt (4 keer). Het samenvoegen van de wetenschappen zorgt ervoor dat natuurwetenschappen een meeruursvak wordt (2 keer). Dit leidt tot een bredere basis bij de leerlingen (2 keer) en zorgt ervoor dat er meer tijd is om laboproeven uit te voeren (1 keer). Moeilijkheden van het vak natuurwetenschappen en suggesties ter verbetering Uit de vele opmerkingen van de leerkrachten blijkt echter ook dat het geven van het vak natuurwetenschappen niet altijd vlekkeloos verloopt. Hieronder staan de belangrijkste pijnpunten opgesomd, eventueel met suggesties ter verbetering. 1. De opleiding van de leerkrachten natuurwetenschappen. De huidige studenten worden meestal maar in één vak opgeleid, soms in twee. Ze hebben grote hiaten in de kennis van de overige wetenschapsvakken. De leerkrachten pleiten ook voor voldoende nascholingen. Een meerderheid van de docenten pleit voor de invoering van een extra studiejaar, voor het verwerven van een bijkomende onderwijsbevoegdheid in een bijkomend wetenschapsvak. Hoewel veel leerkrachten vinden dat de huidige lerarenopleidingen onvoldoende voorbereiden om het vak natuurwetenschappen, vindt de meerderheid zichzelf wel voldoende geschoold. Dit kan misschien gedeeltelijk verklaard worden door het feit dat een aantal leerkrachten twee of drie wetenschapsvakken in hun opleiding combineerden, daar waar de meeste studenten nu slechts één wetenschapsvak in hun opleiding volgen. 62 Dit staat in schril contrast met het feit dat een aanzienlijke groep docenten zichzelf onvoldoende geschoold vindt om alle natuurwetenschappen te geven. 2. Vaklokalen en materiaal. Ofwel is er weinig materiaal beschikbaar, ofwel ligt het verspreid over de drie klassieke wetenschapslokalen fysica, chemie en biologie. Ook de nood aan goede handboeken is groot. 3. 57,1% van de leerkrachten SO klaagt dat de leerlingen de basiskennis minder goed beheersen als het onderscheid tussen de verschillende wetenschappen verdwijnt. De leerlingen missen diepgang en structuur. Desondanks vindt 64,3% van de leerkrachten dat het vak natuurwetenschappen extra mogelijkheden biedt om de leerlingen te motiveren voor wetenschappen te kiezen. 4. Hoewel, zeker in de tweede graad, een grote groep leerkrachten vindt dat het apart geven van de drie wetenschappen tot meer diepgang leidt, zijn de meesten het erover eens dat het leggen van verbanden tussen de wetenschappen tot een meerwaarde voor het wetenschapsonderwijs leidt. Een aantal leerkrachten pleit er dan ook voor om de wetenschapsvakken afzonderlijk te geven, maar aan te vullen met projecten waarin fysica, chemie en biologie geïntegreerd aan bod komen. 5. Leerkrachten vragen meer uren voor het vak natuurwetenschappen. Nu leidt de samenvoeging van de drie wetenschappen soms tot minder uren natuurwetenschappen (2 uur i.p.v. 3 keer 1 uur). In de eerste graad lossen sommige scholen dit probleem op door de vakken NW en WW samen te voegen. Twee leerkrachten pleiten voor het invoeren van blokuren waarin een periode biologie, een periode chemie en een periode fysica elkaar afwisselen. Een nadeel is evenwel dat belangrijke leerstofonderdelen slechts een tijdje grondig ingeoefend worden en dan wegvallen. 6. Leerplannen moeten herwerkt worden zodat er een betere samenhang is tussen de eerste en de tweede graad. Nu zijn er nog teveel overlappingen. Besluit De enquête toont aan dat veel leerkrachten SO zich kunnen vinden in de huidige structuur van het wetenschapsonderwijs met enerzijds natuurwetenschappen in de 1 e graad en in de niet-wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen en KSO-richtingen van de 2e graad en anderzijds de wetenschapsvakken afzonderlijk in de ASO-richtingen en wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen. Bij de docenten bestaat er minder eensgezindheid over de meerwaarde van natuurwetenschappen in de richtingen waar het vak al werd ingevoerd (eerste graad, nietwetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen en KSO-richtingen in de tweede graad). De overgrote meerderheid van hen wil dat de vakken biologie, chemie en fysica apart blijven bestaan in de overige richtingen van de tweede graad (ASO-richtingen en wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen). Het vak natuurwetenschappen stimuleert de leerlingen om meer verbanden te leggen tussen de verschillende wetenschappen, wat veel leerkrachten en docenten een meerwaarde vinden. Leerkrachten SO vinden dat het vak natuurwetenschappen de leerlingen beter motiveert omdat het dichter bij hun leefwereld aansluit (de leerlingen zien 63 de wereld niet verdeeld in drie wetenschappen) en omdat het vak voor meer afwisseling zorgt. Ze vinden echter ook dat het vak natuurwetenschappen tot minder diepgang leidt. Dat verklaart waarom een aanzienlijke groep leerkrachten toch pleit om de leerlingen van de ASO- en wetenschappelijk georiënteerde TSO-richtingen in biologie, chemie en fysica apart te onderwijzen. Hoewel het vak natuurwetenschappen de steun van heel wat leerkrachten geniet, ondervinden de leerkrachten nog problemen bij de implementatie ervan, met o.m. het gebrek aan goed uitgeruste vaklokalen en hiaten in de vooropleiding. Hier ligt dus een uitdaging voor hogescholen en universiteiten. B Huidige voorbereiding van studenten Bachelor in onderwijs Secundair onderwijs voor het vak natuurwetenschappen in Vlaanderen In Vlaanderen is decretaal bepaald welke afstudeerrichtingen kunnen ingericht worden. Tot op heden bestaat de afstudeerrichting Bachelor in onderwijs secundair onderwijs: natuurwetenschappen niet16. Houders van een diploma bachelor in onderwijs secundair onderwijs biologie, chemie of fysica beschikken wel over het vereiste bekwaamheidsbewijs om het vak natuurwetenschappen te geven in de eerste en de tweede graad van het secundair onderwijs17 In het kader van dit onderzoek werden de ECTS-fiches gescreend van alle lerarenopleidingen in Vlaanderen die een opleiding Bachelor in onderwijs: secundair onderwijs inrichten voor de vakken biologie, fysica en/of chemie. In deze screening werd nagegaan op welke wijze de studenten biologie, chemie en/of fysica worden voorbereid op het onderwijzen van het vak natuurwetenschappen. Deze gegevens werden ter controle voorgelegd aan vaklectoren van de betrokken hogescholen. Alle 16 gescreende hogescholen bieden het onderwijsvak biologie aan, 13 hogescholen bieden het onderwijsvak fysica aan, slechts twee hogescholen bieden het onderwijsvak chemie aan. Drie hogescholen sluiten de vakkencombinatie biologie-fysica uit. Karel de Grote hogeschool in Antwerpen benoemt de onderwijsvakken biologie en fysica respectievelijk ‘Natuurwetenschappen inclusief biologie ‘ en ‘Natuurwetenschappen inclusief fysica’. Het gaat hier echter ook om het diploma ‘Bachelor in onderwijs secundair onderwijs biologie’ en ‘Bachelor in onderwijs secundair onderwijs fysica’. 16 Zie www.onderwijskiezer.be/hoger/hoger_profbach_lst.php Zie www.ond.vlaanderen.be/bekwaamheidsbewijzen/database/SOV_diplomalijst.asp?mvak code=33 17 64 Opvallend is dat elke hogeschool een eigen traject uitstippelt. Uit informele contacten blijkt dat de hogescholen sterk zoekend zijn naar een werkbaar en behoeftenbevredigend traject. Studenten biologie worden over het algemeen meer geconfronteerd met leerinhouden fysica dan omgekeerd. Hier dient evenwel de kanttekening te worden gemaakt dat de benaming van een vak de inhoud niet altijd duidelijk weergeeft. Zo werden vakken ‘natuurwetenschappen’ teruggevonden waarin enkel biologische inhouden aan bod komen. Het meest ingrijpende traject wordt sinds september 2012 ingericht door KaHo Sint-Lieven. Studenten biologie, chemie en/of fysica worden hier samengebracht in een vakgroep Natuurwetenschappen. Wie hier kiest voor twee natuurwetenschappelijke vakken, volgt verplicht ook het derde natuurwetenschappelijk vak. Waar deze analyse ons geen zicht op geeft, is in hoeverre er in de hogescholen ook effectief werk gemaakt wordt van een geïntegreerde aanpak binnen de vakken natuurwetenschappen. 65 Hogeschool Bio Fys Che Combinatie Voorbereiding studenten biologie mogelijk Voorbereiding studenten chemie Inhouden 1e jaar biologie en fysica zijn dezelfde, studenten fysica en biologie krijgen 6 SP bio, 5 SP fys en 1 SP chemie. Pas specifieke vakstudie in het 2e jaar. In sem 5 vak NW (3 SP) waar thematisch gewerkt wordt. Ook in vakinhoud Biologie 6 worden thema's behandeld waarin zowel fysische, chemische als biologische aspecten voorkomen. In het eerste jaar 8 uur fysica in sem 1 en sem 2 binnen de Vakstudie biologie. In het tweedejaar omvat het vak 'project biologie' ( 6 SP) een module NW waarin de leerinhouden fysica en chemie van het leerplan 2e graad KSO/TSO aan bod komen, naast andere biologische inhouden. Zij studeren de leerstof fysica en chemie zelfstandig en krijgen een aantal practica. Deze practica worden voorafgegaan door enkele lessen om de moeilijkste concepten toch klassikaal aan te brengen. Inhouden 1e jaar biologie en fysica zijn dezelfde, studenten NVT fysica en biologie krijgen 6 SP biologie, 5 SP fysica en 1 SP chemie. Pas specifieke vakstudie in het 2e jaar. In sem 5 vak NW (3 SP) waar thematisch gewerkt wordt. In het vak 'project fysica' (2ejaar - 6 SP) wordt de student verondersteld de leerinhouden biologie en chemie van het leerplan NW zelfstandig te verwerken, studenten volgen een aantal practica en een excursie voor biologie. Studenten biologie en fysica krijgen apart les. NVT nvt Enkel in het eerste jaar biologie aandacht voor fysica binnen het vak Biologie 1 NVT NVT x ja Geen duidelijke vakinhouden NW voor studenten fysica. x ja Geen duidelijke vakinhouden NW voor studenten biologie. Wel lessen didactiek NW binnen het vak Vakdidactiek in het 2e en 3e jaar. Binnen de vakken Biologie 1 (10 SP) en Biologie 2 (9 SP) aandacht voor basis fysica en basis chemie. Keuzevak in het 3e jaar: NW (3SP) Beperkte invulling fysica binnen vakstudie Biologie 2 en Venster op biologie 4 Geen inhouden biologie of chemie binnen de vakken Fysica. 3e jaar keuzevak NW (3SP) NVT NVT Studenten biologie krijgen in het 2een 3ejaar het vak NW (totaal 6 SP), in het tweede jaar wordt binnen dit vak zuiver biologische inhoud aangeboden. * Studenten volgen 'NW inclusief biologie' Gemeenschappelijk 1e jaar: NW (16 SP), 2ejaar gemeenschappelijk vak NW (5SP) + vakdidactiek NW (3 SP), specialisatie biologie in 2e(6SP) en 3ejaar (9 SP) Alle studenten biologie volgen het vak NW 1 (3SP) in het 1e jaar en NW 2 (3 SP) in het 2eof 3ejaar, samen met de studenten fysica. Studenten biologie-fysica volgen het vak Wetenschappelijk project (3 SP) in sem 2. NVT NVT ** Studenten volgen 'NW inclusief fysica'. Gemeenschappelijk 1e jaar: NW (16 SP), 2ejaar gemeenschappelijk vak NW (5SP) + vakdidactiek NW (3 SP), specialisatie fysica in 2e(6SP) en 3ejaar (9 SP) Alle studenten fysica volgen het vak NW 1 (3SP) in het 1ejaar en NW 2 (3 SP) in het 2eof 3ejaar, samen met de studenten biologie. Studenten biologie-fysica volgen het vak Wetenschappelijk project (3 SP) in sem 2. NVT 1 Artesis-Hogeschool x Antwerpen x neen 2 Arteveldehogeschool (Gent) x x ja 3 x 4 Erasmus Hogeschool Brussel Groep T (Leuven) x 5 Hogeschool Gent x 6 Hogeschool WestVlaanderen (Brugge) HUB-EHSAL x nvt x nvt 8 Karel de Grote Hogeschool Antwerpen NW* NW** neen 9 Katholieke Hogeschool Brugge-Oostende x ja 7 Voorbereiding studenten fysica x NVT NVT 66 10 Katholieke Hogeschool Leuven x x ja Apart vak Chemie (4SP) en Vakdidactiek NW s3-s4 (3 SP), samen met studenten fysica. Fysische inhouden in de vakken Inleiding NW (4 SP) en NW s3 (6SP). In deze vakken bedraagt de verhouding 40% fysica/60 % biologie. Studenten met de combinatie fysica-biologie kiezen voor 11 SP vrij uit het aanbod van de hogeschool. Basiscursus chemie in sem1 (1 CU/week - 1 SP) geïntegreerd in het vak ‘Vakstudie biologie’. Basiscursus fysica in sem 2 (1 CU/week - 1 SP) geïntegreerd in het vak Vakstudie biologie. In het 3e jaar deelopleidingsonderdeel NW- 2 SP (verplichte keuzemodule voor studenten die een wetenschapsvak volgen) Curriculumhervorming 2012-13: studenten wetenschappen (Bio, Ch of Fy) worden samengebracht binnen de vakgroep NW. Scenario 1 wordt gevolgd door studenten die één wetenschapsvak combineren met een ander vak. Zij vullen het gekozen onderwijsvak voor een beperkt aantal SP natuurwetenschappelijk aan. Scenario 2 is voor studenten die 2 wetenschapsvakken kiezen. Zij vullen natuurwetenschappelijk aan met het derde vak. Stage lopen ze steeds in de gekozen onderwijsvakken/ wetenschappelijk werk en NW. Apart vak Chemie (4 SP) en Vakdidactiek NW (3 SP) samen met studenten biologie. In het 3ejaar apart vak Inleiding Ecologie en classificatie (4 SP). Studenten met de combinatie fysica-biologie kiezen voor 11 SP vrij uit het aanbod van de hogeschool. NVT 11 Katholieke Hogeschool Limburg (Diepenbeek) x x x ja In het 2de jaar deelopleidingsonderdeel NW, bestaande uit biologie (2 SP) 1CU/week). Basiscursus chemie geïntegreerd in het vak Thermodynamica Fy 2e jaar 1esem. In het 3e jaar deelopleidingsonderdeel NW- 2 SP (verplichte keuzemodule voor studenten die een wetenschapsvak volgen) Curriculumhervorming 2012-13: studenten wetenschappen (Bio, Ch of Fy) worden samengebracht binnen de vakgroep NW. Scenario 1 wordt gevolgd door studenten die één wetenschapsvak combineren met een ander vak. Zij vullen het gekozen onderwijsvak voor een beperkt aantal SP natuurwetenschappelijk aan. Scenario 2 is voor studenten die 2 wetenschapsvakken kiezen. Zij vullen natuurwetenschappelijk aan met het derde vak. Stage lopen ze steeds in de gekozen onderwijsvakken/ wetenschappelijk werk en NW. In het 2de jaar deelopleidingsonderdeel NW, bestaande uit biologie (2 SP) + basiscursus fysica (1CU/week-1 SP). In het 3e jaar deelopleidingsonderdeel NW- 2 SP (verplichte keuzemodule voor studenten die een wetenschapsvak volgen) 12 Katholieke Hogeschool SintLieven (SintNiklaas) x x x ja 13 Katholieke Hogeschool ZuidWest-Vlaanderen (Torhout) x x ja Gemeenschappelijk vak NW in het 2ejaar (4 SP), met aandacht voor de leerinhouden biologie, fysica en chemie van het geldende leerplan NW van de 2e graad. Gemeenschappelijk vak NW in het 2ejaar (4 SP), met aandacht voor de leerinhouden biologie, fysica en chemie van het geldende leerplan NW van de 2e graad. 14 Thomas More Kempen (Vorselaar) x x ja Leerinhouden fysica en chemie van de 1egraad NW worden De fysicastudenten krijgen een module NW in sem 3 (8 geïntegreerd in de vakken Biologie 1 tem 5. SP). De focus ligt hier op NW 2egraad. Biologiestudenten worden niet voorbereid op NW 2e graad. NVT 15 Thomas More Mechelen x x ja NVT x x neen Studenten biologie volgen in het 2een 3ejaar de module NW (fysica en chemie) ( 2 x 3SP) en in het tweede jaar de excursie NW (3 SP). Binnen de vakken biologie geen expliciete aandacht voor NW. Binnen de vakken Biologie (A tem E) wordt telkens een onderverdeling biologie en NW gemaakt. In Biologie F enkel biologische leerinhouden. 16 Xios Hogeschool (Diepenbeek) Studenten fysica volgen in het 2een 3ejaar de module NW (biologie en chemie) (2 x 3SP) en in het tweede jaar de excursie NW (3 SP). Binnen de vakken fysica geen expliciete aandacht voor NW. In Fysica A, B, C en E wordt het onderscheid gemaakt tussen fysica en NW. Curriculumhervorming 2012-13: studenten wetenschappen (Bio, Ch of Fy) worden samengebracht binnen de vakgroep NW. Scenario 1 wordt gevolgd door studenten die één wetenschapsvak combineren met een ander vak. Zij vullen het gekozen onderwijsvak voor een beperkt aantal SP natuurwetenschappelijk aan (9 van de 36SP). Scenario 2 is voor studenten die 2 wetenschapsvakken kiezen. Zij vullen optimaal natuurwetenschappelijk aan met het derde vak (25 van de 72 SP). Stage lopen ze steeds in de gekozen onderwijsvakken/ wetenschappelijk werk en NW. NVT NVT NW = Natuurwetenschappen 67 3.4 Een vakdidactiek natuurwetenschappen opbouwen 3.4.1 Kwaliteitsindicator 7: Een relevante vakdidactiek opbouwen Welke zijn de relevante fundamenten en bouwstenen van mijn vakdidactiek? Welke zijn de leerlijnen in mijn vakdidactiek? A Bouwstenen van een goede vakdidactiek natuurwetenschappen Een goede didactiek natuurwetenschappen prikkelt de nieuwsgierigheid van leerlingen, stimuleert hen om vragen te stellen en antwoorden te zoeken op deze vragen. Op basis van de resultaten van het voorliggende project zou een ideale cursus vakdidactiek er als volgt kunnen uitzien. De volgorde waarin de onderwerpen worden aangeboden is geenszins bindend. 1) Bestaansrecht en historiek van de natuurwetenschappen. (cfr. kwaliteitsindicator 1) Wie natuurwetenschappen wil onderwijzen moet inzicht hebben in de manier waarop deze disciplines zich ontwikkeld hebben doorheen de geschiedenis. Daarnaast moet een leraar natuurwetenschappen overtuigd zijn van de meerwaarden en valkuilen van zijn vak. 2) Eigenheid en samenhang van de vakken biologie, chemie en fysica a. Specificiteit van elk vak (cfr. kwaliteitsindicator 1) Om het vak natuurwetenschappen ten volle te begrijpen is inzicht in de drie wetenschappelijke disciplines onontbeerlijk. Biologie, chemie en fysica zijn drie verschillende disciplines met elk hun eigen studiedomeinen, deelgebieden en specifieke methoden. Inzicht in de wetenschappelijke opbouw van elke discipline is een belangrijke kennisbasis voor een leerkracht natuurwetenschappen. b. Mogelijkheden voor integratie en interdisciplinariteit (cfr. kwaliteitsindicator 5) Wie inzicht heeft in de specificiteit van elk vak afzonderlijk zal sterker de raakvlakken en samenhang zien tussen de verschillende disciplines. Een goede cursus vakdidactiek besteedt dan ook aandacht aan de afzonderlijke vakken, maar zeker ook aan de raakvlakken 67 68 tussen de verschillende disciplines. Zo wordt de samenhang voor studenten ook duidelijker. c. Leerplan- en eindtermopbouw van de vakken biologie, chemie, fysica en natuurwetenschappen d. Concretisering van de leerplannen natuurwetenschappen in handboeken, nascholingen, ... e. Reflecteren over leerlijnen biologie, chemie, fysica en natuurwetenschappen Een grondige en kritische studie van de leerplan-en eindtermopbouw is een goede manier om studenten te laten nadenken over de leerlijnen die vooropgesteld worden. Waarom werd gekozen voor deze of gene aanpak en is ook een andere aanpak verdedigbaar? Hanteren de verschillende onderwijskoepels dezelfde aanpak? Ook een vergelijkende studie met de leerlijnen die in het buitenland gevolgd worden lijkt ons hier een zinvolle oefening voor studenten lerarenopleiding. 3) Aandacht voor de specifieke didactiek van de vakken biologie, chemie en fysica a. Preconcepten van leerlingen… en leerkrachten? (cfr. kwaliteitsindicator 2) Een goede leerkracht natuurwetenschappen houdt rekening met de preconcepten van leerlingen en kan deze didactisch aanwenden zodat leerlingen tot het juiste wetenschappelijke inzicht komen. Daarnaast is een goede leerkracht natuurwetenschappen alert voor mogelijke preconcepten die hij zelf nog meedraagt. b. Vakspecifieke methodieken: veldwerk, oplossen van vraagstukken, chemisch rekenen, ... c. Vakspecifieke onderzoeks- en meetinstrumenten: microscopen, sensoren, ... d. Vakspecifieke demonstraties en experimenten Elke discipline heeft zijn eigen vakspecifieke methodieken. Zo is een terreinstudie met aandacht voor de interacties tussen de verschillende organismen in een bepaald biotoop een duidelijke biologische methodiek. Het chemisch rekenen is een typische methodiek in de chemie, terwijl een practicum in verband met de verschillende krachtcomponenten een duidelijke fysische inslag vereist. Daarnaast zijn ook de onderzoeks- en meetinstrumenten, maar ook de experimenten eerder vakgebonden. Het spreekt voor zich dat een leerkracht natuurwetenschappen even beslagen moet zijn in deze aspecten van de biologie, de fysica en de chemie. 4) Aandacht voor de gemeenschappelijke vakdidactiek a. Natuurwetenschappelijke methode : theorie- en modelvorming b. Werken aan de onderzoekscompetentie 68 69 c. Demonstratieproeven en practica: doelen, organisatie en veiligheid d. Inrichting van een vaklokaal natuurwetenschappen e. Visualisatiemiddelen f. Actualiteit integreren in de lessen g. ICT-gebruik h. Aandachtspunten voor een valide evaluatie i. De leraar als onderzoeker: literatuur en nascholingen (cfr. kwaliteitsindicator 8) De aandacht voor de gemeenschappelijke vakdidactiek lijkt het intrappen van een open deur, de opgesomde thema’s komen immers ook aan bod in een cursus vakdidactiek biologie, chemie of fysica. Toch zijn er verschillende manieren om te kijken naar de voorgestelde thema’s en kijkt de leraar in deze cursussen vanuit een eenzijdig standpunt, nl. als bioloog, fysicus of chemicus. Een cursus vakdidactiek natuurwetenschappen moet bij de studie van deze thema’s aandacht besteden aan de samenhang van de verschillende disciplines én daarenboven de eigenheid van elke discipline respecteren. Niet onbelangrijk is in dit verband de aandacht voor vakdidactische literatuur en de opvolging van vakdidactisch onderzoek. Een goed leraar raadpleegt vaktijdschriften, interpreteert (vakdidactische) onderzoeksresultaten en vertaalt deze naar de eigen lespraktijk. B PRAKTIJKOEFENING 1) Kies uit het leerplan Natuurwetenschappen 2e graad drie leerplandoelstellingen waarbij je je zeker voelt. 2) Neem hetzelfde leerplan, maar kies nu drie leerplandoelstellingen waarbij je je onzeker voelt. 3) Ga na waarom je deze keuzes gemaakt hebt. C Kenmerken van een goede leraar natuurwetenschappen. Uiteraard gelden alle pedagogisch didactische kenmerken voor een leraar in eender welk vak ook voor een leraar natuurwetenschappen. Toch moet een leraar die het vak natuurwetenschappen onderricht een meester zijn in meer dan één opzicht. Een goede leraar natuurwetenschappen moet inzicht hebben in de leerlijnen van elk vak en zich bewust zijn van de preconcepten die leerlingen mee naar de klas brengen. Hij moet aandacht besteden aan het hanteren van de juiste vakterminologie, over de verschillende disciplines heen. Een goede leraar natuurwetenschappen is geboeid door fysica, chemie, biologie en natuurwetenschappen en kan deze passie overbrengen op zijn leerlingen. Hij is bereid zich te verdiepen in zijn vakgebied(en) en is bereid er leraar in te zijn. 69 70 Een goede leraar natuurwetenschappen kijkt met de bril van een fysicus,chemicus, bioloog en natuurwetenschapper. Hij heeft oog voor de interdisciplinariteit en ziet mogelijkheden voor de integratie van de drie disciplines. Een goede leraar natuurwetenschappen hanteert vlot de meetinstrumenten en didactische materialen van de verschillende vakken. Microscopen, sensoren, chemische experimenten, worden met dezelfde flair en accuraatheid gehanteerd. Een veldexcursie wordt met hetzelfde enthousiasme begeleid als een chemiepracticum. Een leraar die al deze eigenschappen bezit, is meer dan een leraar, hij is een superman of supervrouw. D Een getuigenis In de lerarenopleiding KHLeuven worden de studenten fysica en biologie van het tweede opleidingsjaar samengebracht in één groep voor het vak ‘didactiek natuurwetenschappen’. Het vak wordt in coteaching gegeven door de lector fysica en de lector biologie. Na twee academiejaren mogen we deze formule een succes noemen. De ‘schrik’ die studenten aanvankelijk hebben voor het ‘andere’ vak, wordt grotendeels weggewerkt in deze cursus. We kozen als lectoren bewust voor een praktijkgerichte aanpak met veel groepswerk. Studenten leggen geen examen af van dit vak, maar worden beoordeeld op vakdidactische taken die uitgevoerd worden tijdens de stageperiodes. We starten de lessenreeks met een oefening rond het bestaansrecht van het vak natuurwetenschappen in het secundair onderwijs. Studenten discussiëren eerst in kleine groepjes over het belang van het vak natuurwetenschappen, daarna brengen we alle bevindingen aan bord in een grote mindmap. Als lectoren kiezen we er heel bewust voor om niet te vragen naar het bestaansrecht van de vakken fysica en biologie, de keuzevakken van de betrokken studenten, maar wel naar het overkoepelende vak natuurwetenschappen. De studenten ontdekken in deze oefening de raakvlakken tussen fysica, biologie en chemie. 70 71 Figuur: Mindmap over het vak natuurwetenschappen, zoals aangebracht door de studenten. In het begin van het academiejaar doen we wateronderzoek in een nabijgelegen natuurreservaat. We onderzoeken een waterloop en een poel zowel biologisch, fysisch als chemisch. De resultaten van deze onderzoeken leggen we naast elkaar en we trekken een gezamenlijk besluit. Los van het feit dat leerkrachten natuurwetenschappen in staat moeten zijn om een terreinstudie met leerlingen te begeleiden, is deze activiteit ook sterk bevorderend voor de groepssfeer. Zoals hoger vermeld wordt in deze cursus zeer veel in kleine groepjes gewerkt en dan is het fijn als je elkaar al wat beter kent. De lessen vakdidactiek worden verder opgebouwd rond de volgende aspecten: • Integratie van ICT in de lespraktijk: hoe kan je zinvol gebruikmaken van applets, video-fragmenten, animaties,…? • Zinvol gebruik van actualiteit in de lespraktijk: waar vind je bruikbare actuele informatie en hoe kan je deze integreren in een les natuurwetenschappen? • Demonstratieproeven, practica, gebruik van sensoren en 3Ddemomateriaal: welke meerwaarde bieden deze werkvormen? • Evaluatie in de lessen natuurwetenschappen: aan welke criteria voldoet een goede toets NW? Hoe stel je goede contextuele toetsvragen op? 71 72 • Didactische aanpak van oefeningenlessen: hoe kan je variëren in de moeilijkheidsgraad van oefeningen? Welke kenmerken heeft een goede oefeningenles? Hoe pak je didactisch een oefeningenles aan? • Werken aan de onderzoekscompetentie: wat zijn goede onderzoeksvragen? Welke werkvormen kunnen de onderzoekscompetentie bij leerlingen stimuleren? • Leerlingendenkbeelden en misconcepten: welke denkbeelden en misconcepten leven bij leerlingen? Hoe ga je hier als leerkracht mee om? Op welke wijze kan je leerlingen wel tot het juiste inzicht laten komen? • Gebruik van spellen in de lessen natuurwetenschappen: welke bestaande spellen kan je eenvoudig aanpassen om te gebruiken in een les natuurwetenschappen? Welke spellen natuurwetenschappen zijn er op de markt? In kleine groepjes wordt dan een educatief spel ontwikkeld, dit wordt tijdens de laatste les voorgesteld aan en gedeeld met de overige studenten. • Didactisch gebruik van leerwerkboeken en bordboeken: welke leerwerkboeken zijn er op de markt? Hoe kan je deze zinvol gebruiken? Welke zijn de voor- en nadelen van het gebruik van een leerwerkboek? Welke voor- en nadelen biedt het gebruik van een bordboek? • Kritische kijk op de leerplannen en opstellen van een jaarplan: welke gelijkenissen en verschillen treffen we aan in de leerplannen WW en natuurwetenschappen? Aan welke criteria voldoet een goed jaarplan? Zoals hoger vermeld worden de studenten zoveel mogelijk aan het werk gezet, wij laten hen zoveel mogelijk in kleine groepjes zelf de belangrijke aspecten van goede lessen natuurwetenschappen ontdekken. Tijdens de stageperiodes worden de didactische taken individueel uitgevoerd. Zeer belangrijk daarbij is het reflectieformulier, waarbij studenten verwoorden waarom ze voor een bepaalde werkvorm kozen en nagaan of deze het verhoopte resultaat heeft opgeleverd. Indien niet, formuleren zij een nieuwe didactische aanpak voor een eventuele parallelles. Tot slot gaan we op bezoek in Technopolis, we volgen een scholenshow en een uitgewerkt parcours voor leerlingen van het secundair onderwijs. De studenten gaan na bij welke leerplandoelstellingen de aangeboden programma’s aansluiten en op welke wijze een bezoek aan Technopolis een meerwaarde kan betekenen voor lessen natuurwetenschappen. Waar studenten aanvankelijk eerder sceptisch staan tegenover het feit dat ze deze lessen samen krijgen met studenten van het ‘andere’ vak én dat de lessen begeleid worden door twee lectoren, zien zij na verloop van tijd de meerwaarde hiervan in en zijn ze er ook enthousiast over. Ook het feit dat er geen klassiek examen wordt afgenomen, maar dat de opdrachten gekoppeld zijn aan de stages, is voor de studenten een meerwaarde. 72 73 3.4.2 Kwaliteitsindicator 8: Een vakdidactiek opbouwen op onderzoek Hoe kan ik vakdidactisch onderzoek een plaats geven in mijn vakdidactiek? Hoe kan een onderzoekende houding mijn vakdidactiek verrijken? A Inleiding Het feit dat de jeugd in de Europese landen steeds minder interesse toont voor STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics), is de aanleiding voor vakdidactisch onderzoek om de motivatie en de leerresultaten van de leerlingen te verhogen in STEM-disciplines. Er is ook onderzoek ter beschikking over het vraagstuk van de integratie zelf en natuurlijk ook over de vakdidactieken van de afzonderlijke wetenschappen. Het is voor een leraar natuurwetenschappen interessant om te kijken of en hoe de resultaten van zulk vakdidactisch onderzoek, kunnen gebruikt worden om de lespraktijk te ondersteunen. Het gebruik van onderzoeksresultaten in de lespraktijk, is zeker een kenmerk van een kwaliteitsvolle vakdidactiek natuurwetenschappen. We zullen hier focussen op de resultaten van twee Vlaamse reviews: “Onderwijs in wetenschappen: beter geïntegreerd of niet?, 2013, door L. Tamassia en R. Frans, een review gemaakt in het kader van het School of Education project “Praktijkgerichte Reviews van Onderzoek” (Tamassia & Frans, 2013) “Goesting in STEM”, 2012, door H. Van Houte, B. Merckx, J. De Lange, M. De Bruyker, behorend tot de reeks praktijkgerichte literatuurstudies onderwijsonderzoek van de Vlaamse Onderwijsraad. (Van Houte, Merckx, De Lange, & De Bruyker, 2013) B Verbetert integratie de wetenschappelijke geletterdheid? In Vlaanderen werd het geïntegreerde vak natuurwetenschappen ingevoerd in richtingen met een leerlijn van wetenschappelijke geletterdheid en staan de vakken apart in richtingen met een leerlijn wetenschappen voor de wetenschapper en technicus. Met wetenschappelijke geletterdheid wordt de vaardigheid bedoeld van iemand om wetenschappelijke kennis te gebruiken in het leven bv. om wetenschappelijk vragen te kunnen identificeren en om op evidentie gebaseerde conclusies te kunnen trekken. Kortom om de natuur voldoende te begrijpen om als burger in de maatschappij van morgen te functioneren. 73 74 Of en in welke mate integratie best gebeurt, is het onderwerp van een pittig debat wereldwijd. Om als (toekomstige) Vlaamse leerkracht een bewuste keuze te kunnen maken voor de mate en manier van integratie in het vak natuurwetenschappen, is het van belang om te weten welke onderzoeksresultaten al bestaan over geïntegreerd wetenschapsonderwijs. In het kader van het School of Education project “Praktijkgerichte Reviews van Onderzoek”, werd een systematische speurtocht opgezet naar empirisch onderzoek over de leereffecten inzake wetenschappelijke geletterdheid van geïntegreerd wetenschapsonderwijs. Het doel van deze literatuurstudie was om na te gaan of er inderdaad wetenschappelijke evidentie bestaat voor integratie en of er een onderscheid gemaakt kan worden tussen de effectiviteit van verschillende soorten of niveaus van integratie. M.a.w. er werd wetenschappelijke evidentie gezocht om de volgende vraag te kunnen beantwoorden: heeft het niveau van integratie in het wetenschapsonderwijs in het SO een invloed op de wetenschappelijke geletterdheid van de leerlingen? De review heeft in de eerste plaats aangetoond dat empirisch onderzoek over de problematiek van integratie van fysica, chemie en biologie heel schaars is. In de afgelopen halve eeuw konden slechts twee studies geïdentificeerd worden die empirische evidentie hebben verzameld inzake het bevorderen van wetenschappelijke geletterdheid door de integratie van fysica, biologie en chemie tot een geïntegreerd vak. De twee geïdentificeerde studies zijn gebaseerd op de PISA bevragingen van 2003 en 2006 in Zweden, en konden niet aantonen dat geïntegreerde wetenschapscurricula betere leerlingenprestaties leveren voor wetenschappelijke geletterdheid. In de review (Tamassia & Frans 2013) kan u de details van de gevolgde methode en conclusies raadplegen. Wat betreft het bevorderen van wetenschappelijke geletterdheid is er dus geen aangetoond positief noch negatief effect vanwege de integratie zelf. Het is belangrijk dat de leraar en vakdidacticus natuurwetenschappen er zich bewust van zijn dat integratie op zichzelf niet vanzelf leidt tot meer wetenschappelijke geletterdheid. Het verhogen van wetenschappelijke geletterdheid bij leerlingen, hangt waarschijnlijk van andere of diepere factoren af dan van het loutere integreren zelf. De leerkracht en vakdidacticus natuurwetenschappen mogen in hun praktijk zeker verder zoeken naar een vakdidactiek die de wetenschappelijke geletterdheid van de leerlingen kan verbeteren. Het loutere integreren of niet integreren verhoogt op zichzelf de wetenschappelijke geletterdheid van de leerlingen niet. In de literatuur, en ook in de antwoorden op de enquête die we uitvoerden in het kader van dit project (zie kwaliteitsindicator 6), wordt vaak gesteld dat integratie van de wetenschappen de motivatie van leerlingen verhoogt. Dit blijkt inderdaad het geval te zijn maar men moet goed de betekenis van de aangetoonde motivatieverhoging plaatsen. De in de literatuur aangetoonde vorm van motivatieverhoging door integratie, betreft situationele interesse. Dit betekent dat de leerling een bepaalde activiteit liever doet dan iets anders tijdens de les, maar zonder enig verder gevolg voor de inzet van de 74 75 leerling na het einde van de les, zie bv. “Untangling what teachers mean by the motivational value of practical work” (Abrahams & Sharpe, 2010)). De motivatieverhoging die integratie teweeg brengt, resulteert dus helaas niet in hogere en blijvende vormen van interesseverhoging. Ook daar toont onderzoek aan dat het loutere integreren zelf geen krachtige motiverende factor is maar wel situationeel in een les kan helpen. C Interdisciplinariteit en moderne wetenschappen kunnen het klassieke beeld van de natuurwetenschappen op school aanvullen. Het feit dat uit onderzoek weinig effecten blijken vanwege de integratie zelf, hangt ongetwijfeld ook samen met het feit dat “integratie” een containerbegrip blijkt te zijn, waarover geen conceptuele helderheid bestaat (zie inleiding van deze inspiratiegids). Met name interdisciplinariteit en integratie zijn geen synoniemen. De laatste decennia is interdisciplinariteit de praktijk geworden zowel in de universitaire als in de industriële onderzoekslabo’s. De vraag, die al in de jaren ’60 op tafel kwam, naar meer aansluiting van de wetenschap op school bij de moderne wetenschap, blijft ook nog steeds grotendeels onbeantwoord. We durven daarom hier de hypothese naar voor schuiven dat meer aandacht voor interdisciplinariteit op school, de mogelijkheid biedt om de vakdidactiek natuurwetenschappen aan te rijken doordat ze leerlingen de weg kan wijzen naar de fascinerende wereld van toekomstgerichte wetenschappelijke ontwikkelingen die nu grotendeels voor hen verborgen blijven en waar interdisciplinair denken aan de orde van de dag is. We denken aan in het onderwijs relatief onbekende maar hedendaagse gebieden zoals nanowetenschappen, opto-electronica, bioinformatica, milieuwetenschappenen - waarom ook niet - kwantum computing en dergelijke. Deze boeiende en fascinerende wereld kunnen openen voor leerlingen (en leraren!) zal ongetwijfeld nog een harde noot zijn om te kraken en nog veel vakdidactisch onderzoek vergen. Maar als we kwaliteitsindicator 1 au sérieux nemen, kunnen we dan gebieden die vandaag deel uitmaken van de natuurwetenschappen, nog verborgen houden voor leerlingen? Zien we op tegen het werk? Achten we dit a priori onmogelijk? Willen we vasthouden aan het klassieke beeld van de wetenschappen op school? Moet de moderne wetenschap niet enkel getoond worden aan de wetenschapper en technicus van morgen, maar evenzeer en misschien nog meer aan de burger van morgen? Dreigt anders die burger door een gebrekkige wetenschappelijke vorming, niet steeds meer en meer cultureel te vervreemden in een wereld die steeds meer steunt op moderne interdisciplinaire wetenschappen? Kunnen we het maken dat de burger van morgen die vandaag op onze schoolbanken zit, deze evolutie niet kan plaatsen of duiden waardoor hij of zij de belangrijke implicaties voor mens, maatschappij en milieu niet meer kan volgen of beoordelen? Of behoort dit net niet tot de kernopdracht van goed onderwijs? 75 76 D Onderzoeksresultaten voor STEM-didactiek inbouwen in een vakdidactiek Natuurwetenschappen Vakdidactisch onderzoek voor STEM-vakken heeft generieke en vakspecifieke resultaten opgeleverd die ingebouwd kunnen worden in de vakdidactiek Natuurwetenschappen. De review “Goesting in STEM” (Van Houte, Merckx, De Lange, & De Bruyker, 2013) identificeerde volgende aandachtspunten, die we hier willen bespreken en toelichten in het kader van deze gids. 1) Focussen op conceptueel inzicht en niet op het louter memoriseren van kennis. Conceptueel inzicht stelt leerlingen in staat inhouden daadwerkelijk te gebruiken en toe te passen. Inzichten en concepten in wetenschappen laten alle (contextuele) bijkomstigheden weg om de essentie te vatten. De wetenschappen zijn steeds op zoek naar diepe, algemene waarheden: ze trachten in de veelheid rondom ons te zoeken naar een consistente eenheid die noodzakelijk abstractie maakt. “essentializing is designed to deepen disciplinary understanding and build coherence between disciplines at the level of core concepts” 18 Deze “core inzichten” zijn niet triviaal en hoewel in het dagelijks leven zeker veel geleerd kan worden inzake wetenschappen is inzicht in de ‘taal en grammatica’ van wetenschappen niet evident en ligt dit ter tafel in natuurwetenschappelijk onderwijs. De inhoud van het vak natuurwetenschappen op school is echter vaak minder technisch en minder diepgaand. Dit houdt het gevaar in dat leerlingen voor natuurwetenschappen, misschien oppervlakkiger leren en eventueel onduidelijke concepten en verbanden net van buiten gaan leren (want niet begrepen). Diepgaand conceptueel inzicht moet daarom een sterke prioriteit zijn van goed onderwijs in natuurwetenschappen als het de wetenschappelijk geletterdheid die het vak ambieert, waar wil maken. Speciaal ontwikkeld materiaal, zoals concept cartoons en concept tests, kunnen op een actieve en soms speelse manier de conceptual understanding van leerlingen verhogen. Het is dan van belang dat de leerkracht natuurwetenschappen deze werkvormen kent en didactisch correct gebruikt voor biologische, chemische en fysische onderwerpen en voor Zie (Nikitina & Mansilla, Three Strategies for Interdisciplinary Math and Science Teaching: A Case of the Illinois Mathematics and Science Academy, Interdisciplinary Studies Project Project Zero , 2003) p. 18 18 76 77 interdisciplinaire thema’s. Een coherent zicht van de leraar op de natuurwetenschappelijke concepten en hun samenhang, is hiervoor een conditio sine qua non. 2) Belang van contexten, waarop de leerlingen kennis en vaardigheden kunnen toepassen. De focus van het vak natuurwetenschappen op de wetenschappelijke geletterdheid biedt de mogelijkheid om meer bij contexten aan te sluiten. Natuurwetenschappen leggen diepe verbanden tussen verschijnselen die – aanvankelijk- als los van elkaar werden gezien. Wetenschappelijke concepten verenigen dus verschillende contexten met elkaar precies door deze te verklaren op grond van hetzelfde concept of dezelfde concepten (concepten zijn unificerende inzichten). Bij leerlingen heerst de perceptie dat wetenschappen abstract en irrelevant zijn. Dit betekent dat wetenschapsonderwijs er niet voldoende in slaagt om de verbinding tussen de abstracte concepten en de concrete contexten te maken. Goed onderwijs in natuurwetenschappen zal dus centrale concepten benadrukken en deze steeds weer verbinden met verschillende contexten. Dit komt niet enkel de wetenschappelijke vorming van de leerlingen ten goede, maar ook de motivatie voor wetenschappen zelf, p. 21 in (Van Houte, Merckx, De Lange, & De Bruyker, 2013). Het gaat dus om het verbinden van abstractie met concrete contexten (of omgekeerd). Dit mag men niet verwarren met het weglaten van de abstractie zelf omdat men dan het wezen van de wetenschappen aantast. Uit literatuur blijkt ook dat aandacht voor de culturele context en de menselijke aspecten van de wetenschappen, zoals historische en filosofische contexten, de rol van de wetenschappelijke verbeelding en de esthetica in de wetenschappen, enorm inspirerend kunnen zijn voor sommige leerlingen (Wang & Schmidt, 2001) (Aikenhead, 2007). Het blijkt dat deze toegangen tot natuurwetenschappen maar zelden worden ingezet in het wetenschapsonderwijs in Vlaanderen. In de literatuur is het nochtans lang bekend dat menselijke aspecten van de wetenschappen in het speciaal inspirerend en motiverend zijn voor meisjes. Het is van belang dat de leerkracht natuurwetenschappen gevarieerde contexten aan bod kan laten komen in de les met een breed didactisch palet voor biologische, chemische en fysische onderwerpen en voor interdisciplinaire thema’s (zie ook voorbeelden verderop in deze kwaliteitsindicator). 3) Het expliciete behandelen van ‘Nature of Science’ (“Hoe werkt wetenschap?”) heeft een positieve invloed op de attitudes van leerlingen omdat ze de relevantie van wetenschap ervaren. De review benadrukt het belang van het aanbieden van aantrekkelijk STEMonderwijs met relevante leerinhouden die aansluiten bij de interesses van kinderen en jongeren. Een goede vakdidactiek mag zich niet beperken tot de 77 78 leefwereld en de spontane vragen van de leerlingen (zie kwaliteitsindicator 1). Een goede vakdidactiek natuurwetenschappen zal leerlingen in staat stellen om zich te verwonderen over verschijnselen die ze vroeger niet kenden en om vragen te stellen die zij anders nooit hadden kunnen en willen stellen. Wetenschappen gaat verder dan de leefwereld van de leerlingen, en een goede leerkracht zal in het kader van het vak natuurwetenschappen iets ter tafel kunnen leggen wat ook buiten de leefwereld van de leerlingen ligt en hier aandacht en interesse voorcreëren. We wijzen hierbij op de theorie van de naaste ontwikkeling (Vygotsky, 1978). E Praktijkoefeningen Praktijkoefening 1: Denk na over volgende vragen. Geef voorbeelden hoe je dit concreet zou kunnen doen in een les of bij een bepaald onderwerp. Hoe zoek ik naar centrale concepten en verbind ik deze met verschillende contexten? Hoe laat ik zien dat preconcepten niet de kracht hebben om de verschillende verschijnselen te verklaren? Hoe laat ik zien dat wetenschappen geïdealiseerde (wiskundige) beginselen en modellen ontwikkelt die het (beter) begrijpen van complexe verschijnselen mogelijk maakt? Hoe doe ik eenvoudige experimenten die de idealisering duidelijk maken en de verklarende kracht van het concept tonen? Hoe leg ik vanuit deze eenvoudige experimenten het verband met ingewikkelder contexten en laat ik deze verklaren door de concepten te gebruiken? Hoe leer ik leerlingen in een gegeven context, de bijkomstigheden ontdekken, leer ik ze de context herleiden tot zijn conceptuele essentie? Praktijkoefening 2: De inhoud van het vak Natuurwetenschappen: blanco beginnen? Wetenschappelijke kernideeën. De inhoud van het vak natuurwetenschappen, met als doel het streven naar de wetenschappelijke geletterdheid van de burger van morgen, zou een intern consistente en goed doorgedachte opbouw moeten hebben, niet noodzakelijk verbonden met de historische voorgangers van dit vak. Dit vraagstuk is verre vanzelfsprekend en zou het voorwerp kunnen uitmaken van een interessant onderzoek. Hieronder laten we je hierover alvast nadenken aan de hand van een praktijkoefening. Praktijkoefening deel A: Maak een lijst van 10 kernideeën die volgens jou centraal zouden moeten staan in het wetenschapsonderwijs voor de burger van morgen. 78 79 Deze ‘oefening’ werd ook gedaan door Wynne Harlen (Harlen, 2010)19. In haar rapport dat ontwikkeld werd door tien internationale experten binnen wetenschapsonderwijs, worden een aantal principes voor het wetenschapsonderwijs voor alle leerlingen beschreven, met de bedoeling om te streven naar een brede wetenschappelijke geletterdheid. Deze denkoefening resulteerde in het verwoorden van ‘10 ideeën van de wetenschap’: 1) Al de materie in het heelal bestaat uit zeer kleine deeltjes. 2) Objecten kunnen elkaar van op een afstand beïnvloeden. 3) Om de beweging van een object van richting te doen veranderen, is een netto kracht nodig. 4) De totale hoeveelheid energie in het heelal blijft altijd hetzelfde, maar energie kan worden omgezet als er dingen veranderen of gebeuren. 5) De samenstelling van de Aarde en zijn atmosfeer én de processen die er plaatsvinden, bepalen het aardoppervlak en het klimaat. 6) Het zonnestelsel is een zeer klein deel van de miljoenen sterrenstelsels in het heelal. 7) Organismen zijn opgebouwd en geregeld door middel van cellen. 8) Organismen vereisen energie en materialen waarvoor ze zijn vaak afhankelijk zijn van of in concurrentie zijn met andere organismen. 9) Genetische informatie wordt doorgegeven van de ene generatie organismen op de andere. 10) De diversiteit aan organismen, levend en uitgestorven, is het resultaat van evolutie. Praktijkoefening deel B: 1. Vergelijk je lijst met de lijst van Harlen en identificeer de grootste conceptuele verschillen. 2. Bekijk beide lijsten vanuit het standpunt van de afzonderlijke disciplines fysica, biologie en chemie. Denk je dat je keuze voor de 10 kernideeën beïnvloed werd door je achtergrond? 3. Kijk naar de leerplan Natuurwetenschappen van eerste en tweede graad. Welke van de kernideeën van Harlen kan je daar terugvinden? Welke extra ideeën vind je? 19 Ook beschikbaar op http://cmaste.ualberta.ca/en/Outreach/~/media/cmaste/Documents/Outreach/IANASInterAmericasInquiry/PrinciplesBigI deasInSciEd.pdf 79 80 F Voorbeelden hoe concepten, contexten verklaren en verbinden We laten met 2 voorbeelden zien hoe een concept aan de grondslag ligt van het verklaren van in contexten waargenomen verschijnselen.20 In het eerste voorbeeld schetsen we eerst het principe en daarna de contexten, in het tweede voorbeeld vertrekken we van de contexten en komen dan tot de verklarende concepten. Vb. 1: Het traagheidsbeginsel is een abstract concept dat men kan ‘zien’ in contexten a) Het traagheidsbeginsel als een abstract wetenschappelijk concept Een voorwerp in beweging blijft tegen constante snelheid verder bewegen in een rechte lijn. Maar neem je dat waar? Als je een bal rolt over de tafel dan valt die uiteindelijk stil. Wil je hem laten voortbewegen dan moet je duwen. Waarom is de 1ste bewegingswet dan niet – zoals Aristoteles het meende – dat een bewegend voorwerp vanzelf naar zijn natuurlijke toestand van rust terugkeert? Wat is er gebeurd dat de fysica ons leert dat het traagheidsbeginsel waar is, hoewel zo tegengesteld aan de gewaarwording? Het was Galileo Galilei, de vader van de experimentele fysica, die ons leerde dat je de natuurwetten maar op het spoor komt als je idealiseert bv. door met gedachte-experimenten te redeneren. Gedachte-experiment van Galilei: Een gedachte-experiment laat vaak toe om de logica van de natuur op het spoor te komen ideale omstandigheden die experimenteel moeilijk of niet toegankelijk zijn. Stel dat je een helling hebt waarvan je een bal laat rollen. Aan de andere kant laat jede bal een tweede helling terug oplopen. De bal zal bij het oplopen van de tweede helling wat vertragen tot hij even hoog komt als hij op de eerste helling vertrokken is. Maak de tweede helling dan minder steil dan de eerste. Dan zal de bal minder vertragen en verder doorrollen, totdat hij weer tot stilstand komt, even hoog als hij vertrokken is. Uiteindelijk maak je de 2de helling gewoon vlak: de bal zal niet meer vertragen en eeuwig doorrollen. 20 Deze voorbeelden werden ook afgetoetst in de Vlor werkgroep STEM. 80 81 Doordat Galilei geloofde in de interne logica van de natuur, was hij bereid dit traagheidsbeginsel als fundamenteel waar te aanvaarden. Dat we ballen toch niet eeuwig zien doorrollen is geen natuurwet, maar te wijten aan een externe factor: de wrijvingskracht die de bal afremt. Was die er niet dan zou de bal inderdaad eeuwig blijven doorrollen. We zien dus hetzelfde experiment als Aristoteles, maar we interpreteren het anders tegen een consistentere theorie, verder van onze indrukken, maar korter bij de logica van de natuur. b) Het traagheidbeginsel als unificerend concept in verschillende contexten Conceptcartoon over traagheid in een context van skating Bron: Balck Christel, Debusschere Marc, De Poorter Johan, Van Peteghem Rita (2005). Concept Fysica, uitgaves van CNO Antwerpen, DPB Gent e.d. met de steun van Wetenschapsbeleid en i.s.m. de uitgeverij Wolters Een bal rollen over een ruw en minder ruw oppervlak: Ruw oppervlak Minder ruw oppervlak Glad oppervlak Andere contexten waar je het traagheidsbeginsel kan ‘waarnemen’ Luchthockey: schijven bewegen op een luchtkussen Gensters vliegen vanaf draaiende schijf ‘rechtdoor’ 81 82 Waarom kan je het muntje in het glas laten vallen? Astronaut André Kuijpers beweegt zich voort in het Internationaal Ruimtestation ISS Curling op ijs Vb. 2: Concept van elektrische aantrekking (en afstoting) tussen de moleculen in de stof Verschillende eigenschappen van een stof kunnen begrepen worden door het concept van elektrische aantrekking en afstoting tussen de moleculen waaruit een stof is opgebouwd. We geven hier bij wijze van voorbeeld hoe de waargenomen cohesie van een stof en de aggregatietoestanden van water kunnen begrepen worden door te steunen op dit concept. We wijzen er verder op hoe dit concept ook verklaring biedt voor andere eigenschappen van de stof. Immers zoals elk goed wetenschappelijk concept is het fundamenteel en is het effect ervan ‘zichtbaar’ in vele verschillende contexten. a) Stoffen vertonen cohesie: dit kan waargenomen worden in verschillende contexten Waargenomen cohesie van een waterdruppel (met daarin een luchtbel) door André Kuipers in het Cohesie (en adhesie) van een waterdruppel Bron: Nasa Launchpad: Cohesion and Adhesion OnBoard the International Space Station 82 83 Internationaal Ruimtestation ISS. archive.org/details/NASA_Launchpad_Cohesion_and_Ad hesion_HD Waargenomen sterke cohesie van een metaal: het is plooibaar zonder breken. Keukenzout kristalletjes duiden erop dat de stof aan elkaar hangt. 6-voudige symmetrie in een sneeuwkristal. Elke sneeuwvlok is quasi uniek. Hoe blijft dit aan elkaar? De befaamde DNA dubbele helix, hoe wordt die bijeengehouden? Aggregatietoestanden van stoffen : vast, vloeibaar, gas Bv. van water: ijs, vloeibaar water, waterdamp b) Verklarend Concept: Elektrische krachten tussen moleculen houden stoffen bijeen Verklaring van het cohesieverschijnsel: Om te verklaren dat de moleculen van een stof bijeengehouden worden, moet men een aantrekkingskracht aannemen tussen de moleculen waaruit de stof bestaat. Van welke aard is deze kracht? Laten we eens kijken welke soorten aantrekkende krachten we kennen. Gravitatie, elektrische en magnetische krachten. Welke zou het meest plausibel zijn? De veronderstelling dat er een aantrekkingskracht is tussen verschillende moleculen in een stof en dat die elektrisch is van aard is een aannemelijke hypothese omdat dit consistent is met bv.: - We kunnen een stof laden bv. door wrijving bv. door wrijving geladen plastieken staaf waarmee we papiersnippers aantrekken. Er bestaat elektrische aantrekking en afstoting. Er moeten dus wel elektrische ladingen in een stof zitten. 83 84 - Het atoommodel veronderstelt lading in de stof: positieve lading in de kern (protonen), negatieve lading in de elektronen errond. - …. - Dat waterdeeltjes aan elkaar vastplakken (cohesiekrachten bv. in een waterdruppel), kan begrepen worden door de elektrische aantrekking (Bron: Unesco, Water the basics, http://unesco.uiah.fi/water/mater ial/01_water_basics_html, 2005) voor het dieper verklaren, bv. Nemen we als voorbeeld water. Een watermolecule H2O bestaat uit 1 zuurstofatoom en 2 waterstofatomen. Het zuurstofatoom trekt de gemeenschappelijk gestelde elektronen wat meer naar zich toe dan het waterstofatoom. Daardoor is het watermolecule aan de ene kant eerder + en aan de andere kant eerder -. Dit veroorzaakt het aaneenklitten van water (waterstofbruggen) . Bv. in een waterdruppel. Cohesiekrachten zijn dus elektrische aantrekkingskrachten. Dit is een erg krachtig verklarend concept ook voor andere verschijnselen of - Het zijn deze ‘elektrische’ waterstofbruggen die ook de DNA-strengen bij elkaar houden tot een helix! - We kunnen zelfs de 6-hoekige symmetrie verklaren van een sneeuwvlok omdat een positieve H steeds ‘plakt’ bij tegen negatieve O van een volgende molecule. Hierdoor ontstaat een zeshoek. Bron: Story of Snow - Verklaring van samenhang kristal van keukenzout door elektrische krachten tussen Na+ en Cl-. - Verklaring sterke metaalbinding van de De metallische binding: positieve roosterionen zijn sterk 84 gebonden in een zee van valentieelectronen. (Bron figuur: Hosforth school, http://www.horsforth.leeds.sch.u k/subjects/ ) 85 Verklaring van aggregatietoestanden met hetzelfde concept van elektrische aantrekking tussen de moleculen Bij normale temperatuur en druk rollen de moleculen over elkaar en heb je een vloeibare toestand. Bij verwarmen gaan de watermoleculen zo hard bewegen dat de elektrostatische aantrekking niet meer voldoende is om ze samen te houden in vloeibare toestand. Je krijgt waterdamp. Bij afkoelen, komen de moleculen in vaste posities te zitten in een kristalrooster (ijs). In het bijzonder dan komt de voorkeursrichting van de onderlinge posities tot uiting. De zeshoekige symmetrie die o.m. in sneeuwvlokken herkenbaar is, kan ermee verklaard worden. Hierdoor is de dichtheid van vast water kleiner dan die van vloeibaar (anomalie van water) wat belangrijk is voor het ’s winters overleven van (hogere) levensvormen in het water. Zonder waterstofbruggen zou water op aarde altijd gasvormig zijn. (want te weinig elektrische cohesie). Hetzelfde concept geeft een verdere verklaring voor andere verschijnselen in andere contexten Met het inzicht van elektrische aantrekking en afstoting kan men weer andere diverse verschijnselen verklaren: - Waarom zak ik niet door mijn stoel? (De elektronen in mijn lichaam stoten de elektronen in de stoel af: elektrische afstoting) - Waarom zijn moleculen met atomen van dezelfde soort zoals O2, N2 e.d. gassen? De lading is rondom symmetrisch verdeeld -> er is vooral elektrische afstoting en weinig elektrische aantrekking want geen + of eerder - kanten-> ze zijn gasvormig tot op zeer lage temperaturen. - Enz. 85 86 4 Besluit De natuurwetenschappen staan niet voor niets in het schoolcurriculum. Bij het denken over een goede vakdidactiek, moeten we de fundamentele vragen durven stellen. Waar gaat het over in natuurwetenschappen? Natuurwetenschappen kan geen doelloze opeenstapeling zijn van werkvormen, inhouden en interventies. Het gaat om iets essentieels, deel van onze cultuur. Dat is de reden waarom we jongeren willen vormen in natuurwetenschappen, om iets te ontdekken, ja zelfs buiten hun leefwereld. Dat willen we meedelen aan jongeren en delen mét jongeren. Hannah Arendt merkt op dat dit delen onze plicht is, net om jongeren de vrijheid te geven om van het oude iets nieuws te maken21. Ongetwijfeld heeft deze gids geen volledige vakdidactiek natuurwetenschappen kunnen creëren, maar -wie weet- kon hij daartoe wel inspireren. “Wat” is het waard om in het midden te leggen? Met welke vakdidactiek kunnen we dan deze inhouden openen? De wetenschappen kunnen zo fascinerend zijn, waarom zouden jongeren deze fascinatie niet kunnen ervaren? Fascinatie zoals ze belichaamd wordt door grote wetenschappers zoals Darwin, Bohr en Einstein. Misschien heeft deze gids wel de ‘ondraaglijke lichtheid’ waarmee over vakdidactiek natuurwetenschappen wordt gesproken, doorbroken. Natuurwetenschappen mag geen plakwerkdidactiek worden, geen fysica geplakt op biologie, of biologie geplakt op chemie of fysica. Natuurwetenschappen mag ook niet doen alsof deze afzonderlijke disciplines niet bestaan. Misschien heeft deze gids wel doen dromen van een doordachte leerlijn doorheen natuurwetenschappelijke kernconcepten, die met flair en doortastendheid worden geopend door een bevlogen leraar. Een leraar die zich even goed thuis voelt in de biologische als de chemische en fysische paradigma’s. Een leraar die met vakdidactische materialen uit fysica, chemie en biologie een aantal vragen kan beantwoorden, maar misschien nog meer het verlangen naar begrijpen van de natuur kan oproepen. Zoals bekend is er in Vlaanderen een groot tekort aan wetenschappers, ingenieurs, en technici en komt er steeds meer druk vanuit de maatschappij op het onderwijs om daar iets aan te doen. Wie weet, zou een didactiek van de natuurwetenschappen waar het verlangen naar weten en de liefde voor het vak centraal staan, er wel in kunnen slagen om de jeugd te fascineren voor de wetenschappen, zelfs in die mate dat ze ervoor kiezen in hun toekomstige studies en loopbaan. We mogen immers niet vergeten dat in de lagere graden, waar nog geen definitieve studiekeuze is gemaakt, het vak natuurwetenschappen voor beide doelgroepen bedoeld is: de burgers van morgen én diegenen die later voor wetenschappen en technologie 21Arendt H. (1994). Tussen verleden en toekomst. Garant, Leuven/Apeldoorn 86 87 zullen kiezen! “Science for all” mag dus niet te snel verstaan worden als “science only for not-scientists”. Meer en meer studies tonen aan dat interesse opwekken voor wetenschappen immers geen zaak is van de laatste jaren van het secundair onderwijs, maar eerder iets van de eerste. Een goede vakdidactiek natuurwetenschappen kan ook een beter zicht geven op de hedendaagse research waar interdisciplinair denken ook voorop staat. Willen we immers niet dat de burger van morgen de implicaties van het hedendaags onderzoek voor mens en maatschappij kan volgen en duiden? De kiem hiervoor wordt al dan niet gelegd bij de leerlingen die nu in de klas zitten. Het valt trouwens op dat de leraren in de enquête ook de moderne interdisciplinaire visie op natuurwetenschappen delen. Voorbeelden van over de grenzen heen, los van onze Vlaamse situatie, kunnen inspirerend zijn om de aanpak van het vak natuurwetenschappen te verrijken. Het is in elk geval opmerkelijk dat in de meeste andere landen meer uren wetenschappen gegeven worden dan in Vlaanderen. In Baden-Württemberg, Duitsland, bijvoorbeeld, wordt natuurwetenschappen als integratie toegevoegd naast de afzonderlijke wetenschappen, net om de integratie mogelijk te maken. We kennen in Vlaanderen dergelijke aanpak ook in de vorm van de seminaries in de 3de graad. Zulke seminaries hebben het voordeel dat ze in principe ook door een interdisciplinair lerarenteam kunnen begeleid worden. Het is een piste die ook voor de lagere graden het overwegen waard is. Een leraar natuurwetenschappen moet inderdaad een meester zijn in meer dan één opzicht. Hij is begeesterd door chemie, biologie én fysica, in hun eigenheid, in hun samenhang, in hun gemeenschappelijk verlangen naar weten en hij of zij wil deze passie delen met de leerlingen. Of zulks lukt hangt inderdaad in grote mate af van zijn of haar vakdidactiek. Heeft die leraar inderdaad inzicht in de leerlijnen van de verschillende wetenschappelijke disciplines, in de preconcepten van de leerlingen? Wordt een correcte vakterminologie gehanteerd en beschikt hij of zij over de nodige wetenschappelijke vaardigheden over de grenzen van de disciplines heen? We mogen in feite gerust spreken over een superman of –vrouw. De nieuwe generatie leerlingen verdient in elk geval goedopgeleide leerkrachten natuurwetenschappen. 87 88 5 Literatuur Abrahams, I., & Sharpe, R. (2010). Untangling what teachers mean by the motivational value of practical work. School Science Review, 92(339), 111115. Aikenhead, G. S. (2007). Humanistic Perspectives in the Science Curriculum, Chapter 29 . In S. Abell, & N. Lederman, Handbook of Research on Science Education (pp. 881-910). Routledge. Ardui, J., Cornelissen, G., Decuypere, M., De Meyere, J., Frans, R., Geerinck, I., et al. (2012). Leerkracht zijn. Glossarium. Leuven: Acco ISBN 9789033491399. Ardui, J., De Cock, M., Frans, R., Hinnekint, K., Reybrouck, M., Schrooten, E., et al. (2011). Inspiratiegids voor een kwaliteitsvolle vakdidactiek. Leuven, Diepenbeek: Expertisenetwerk School of Education - Katholieke Hogeschool Limburg, ISBN: 9789081346757. Bardeen, M. G., & Lederman, L. M. (1998). Coherence in Science Education. Science 281.5374 , 178 – 179. Boersma, K., van Graft, M., & Knippels, M.-C. (2009). Concepten van kinderen over natuurwetenschappelijke thema's. SLO, Stichting Leerplanontwikkeling, Enschede i.s.m. Centrum voor didactiek van de ß-wetenschappen, Universiteit Utrecht. Chinn, C. A., & Malhotra, B. A. (2002). Epistemologically authentic inquiry in schools: A theoretical framework for evaluating inquiry tasks. Science Education, 86, 175–219. Clement, J. (1993). Using bridging analogies and anchoring intuitions to deal with students’ preconceptions inphysics. Journal of Research in Science Teaching 30 (10), 1241-1257. Czerniak, C. (2007). Interdisciplinary science teaching. In Abel, Handbook of research on science education (pp. 537-560). Debusschere, M. (2005). Concept Fysica. syllabus Woudschoten Conferentie. Dijsterhuis, E. (1950). De mechanisering van het wereldbeeld. Amsterdam: Meulenhoff . Dragher, Z. (1994). Does the use of analogies contribute to conceptual change? . Science Education, 78 (6), 601-614. Drake, S. M. (2007). Creating Standards-Based Integrated Curriculum: Aligning Curriculum, Content, Assessment, and Instruction. Thousand Oaks, CA 91320 USA : Corwin Press, a Sage Publications Company. 88 89 Feys, R. (2002). Wereldorientatie Op Nieuwe Wegen - Praktijkgids Voor De Basisschool. Plantyn. Flavell, J. H. (1979). Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American psychologist 34(10), 906. Fogarty, R. (1991). Ten ways to integrate curriculum. Educational leadership: journal of the association for supervision and curriculum development(41), 61-65. Glynn, S., & Takahashi, T. (1998). Learning from Analogy-Enhanced Science Text. Journal of Research in Science Teaching, 35,10, 1129. Hadzigeorgiou, Y., Fokialis, P., & Kabouropoulou, M. (2012). Thinking about Creativity in Science Education. Creative Education, 3(5), 603-611. Harlen, W. (. (2010). Principles and big ideas of science education. The Association for Science Education. Hodson, D. (1998). Science Fiction: the continuing misrepresentation of science in the school curriculum . Curriculum Studies, 6(2), 191-216. Hondebrink, J., & Jansen, G. (1991). NVON 16,8, 320-321. Hukom, J. (sd). Denken over denken in de scheikunde. Opgeroepen op februari 17, 2013, van Ecent Expertisecentrum voor Lerarenopleidingen Natuurwetenschap en Techniek: www.ecent.nl/artikel/1952/Denken+over+denken/view.do#N65690 Keogh, B., & Naylor, S. (1999). Concept cartoons, teaching and learning in science: an evaluation. International Journal of Science Education, 21(4), 431-446. Klein, J. T. (2006). A platform for a shared discourse of interdisciplinary education. Journal of Social Science Education 5,2, 10-18. Lederman, N., & Niess, M. (1997, februari). Integrated, interdisciplinary, or thematic Instruction? Is this a question or is it questionable semantics? School Science and Mathematics 97(2), 57–58. Lederman, N., & Niess, M. (1997, november). Less is more? More or less. School Science and Mathematics. Nikitina, S. (2006). Three strategiesforinterdisciplinary teaching: contextualizing, conceptualizing, andproblem-centring. Journal of Curriculum Studies 38(3), 251-271. Nikitina, S., & Mansilla, V. (2003). Three Strategies for Interdisciplinary Math and Science Teaching: A Case of the Illinois Mathematics and Science Academy, Interdisciplinary Studies Project Project Zero . Harvard Graduate School of Education. Posner, G. J. (1982). Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change. Science Education 66(2), 211-227. 89 90 Posner, G., & Gertzog, W. (1982). The Clinical Interview and the Measurement of Conceptual Change. Science Education 66(2), 195. Shulman, L. (1986). Those who understand: Knowledge growth in teaching. Educational Researcher, 15 (2), 4-14. Shulman, L. (1987). Knowledge and teaching: Foundations of the new reform. Harvard Educational Review, 57, 1-22. Simons M., M. J. (2008). From schools to learning environments: The dark side of being exceptional. Journal of philosophy of education 42 (3-4), 687-704. Simons, M., & Masschelein, J. (2010). Leraren en hun school. Over amateurisme, vrije tijd en leerstof. IVO: Informatie Vernieuwing Onderwijs, 31 (118), 19-25. Stavy, R. (1991). Using analogy to overcome misconceptions about conservation ofmatter. Journal of Research in Science Teaching, 28(4), 305-313. Taconis, R., & Terwel, J. (1999). Strategisch omgaan met leerlingdenkbeelden in de exactevakken: een praktisch overzicht en een theoretisch perspectief. Afdeling Onderwijspedagogiek. VUA Tijdschrift voor Didactiek der pwetenschappen 16 nr.2. Tamassia, L., & Frans, R. (2013). P-Review Onderwijs in Wetenschappen: beter geïntegreerd of niet? School of Education Associatie KU Leuven, in voorbereiding. Van Boxtel, C. (2009). ‘Vakintegratie in mens- en maatschappijvakken’. Enschede: Printpartners Ipskant, ISBN 978-94-90147-02-0. Van de Keere, K., & Vervaet, S. (2013). Wetenschapsonderwijs in de lagere school: Hoe pak je het aan? in press: Lannoo Campus. Van Houte, H., Merckx, B., De Lange, J., & De Bruyker, M. (2013). Review: Goesting in STEM. Brussel: in press Vlaamse Onderwijsraad Vlor . Vygotsky, L. (1978). Mind and society: The development of higher psychological processes. Cambridge, MA USA: Harvard University Press. Wang, H., & Schmidt, W. H. (2001). History, Philosophy and Sociology of Science in Science Education: Results from the Third International Mathematics and Science Study . Science & Education 10 , 51–70. 90 91 Colofon Projectteam Katholieke Hogeschool Leuven - Departement Lerarenopleiding Bachelor SO Vakdidactici biologie: Els De Smet, Linda Clijmans Katholieke Hogeschool Kempen - Departement Lerarenopleiding Bachelor SO Vakdidacticus fysica: Katrien Vyvey Katholieke Hogeschool Limburg - Departement Lerarenopleiding : Vakdidacticus chemie: Filip Poncelet Vakdidactici fysica: Laura Tamassia Promotor: Renaat Frans Meer informatie: schoolofeducation.eu/projecten/vakdidactiek-natuurwetenschappen www.vakdidactiek.be/natuurwetenschappen Contact: [email protected] [email protected] Inspiratiegids vakdidactiek natuurwetenschappen School of Education Associatie KU Leuven (2013) ISBN: School of Education projectnummer SoE 2011/20 - Vakdidactiek Natuurwetenschappen 91
