Computer based instructional support during physics problem solving Pol, Hendrik

Transcriptie

1 University of Groningen Computer based instructional support during physics problem solving Pol, Hendrik IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2009 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Pol, H. (2009). Computer based instructional support during physics problem solving: a case for student control Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 COMPUTER BASED INSTRUCTIONAL SUPPORT DURING PHYSICS PROBLEM SOLVING: A CASE FOR STUDENT CONTROL HENK POL

3 Pol, Hendrik Jan Computer based instructional support during physics problem solving: a case for student control H.J. Pol, 2009 Print: Ipskamp Drukkers B.V., Enschede, The netherlands ISBN: (electronic version) ii

4 RIJKSUNIVERSITEIT GRONINGEN COMPUTER BASED INSTRUCTIONAL SUPPORT DURING PHYSICS PROBLEM SOLVING: A CASE FOR STUDENT CONTROL Proefschrift ter verkrijging van het doctoraat in de Wiskunde en Natuurwetenschappen aan de Rijksuniversiteit Groningen op gezag van de Rector Magnificus, dr. F. Zwarts, in het openbaar te verdedigen op vrijdag 27 november 2009 om uur door Hendrik Jan Pol geboren op 27 augustus 1968 te Hoogeveen iii

5 Promotores Copromotor : prof. dr. M.J. Goedhart prof. dr. A. van Streun : dr. E.G. Harskamp Beoordelingscommissie : prof. dr. H.M.C. Eijkelhof prof. dr. W.H.A. Hofman prof. dr. J. Knoester iv

6 Voor Nina v

7 VOORWOORD Dit boek beschrijft een verhaal. Je kunt het samenvatten tot enkele bladzijden, zoals terug te vinden in de Nederlandse samenvatting. Je kunt het zelfs samenvatten tot 250 woorden; dat is voldoende voor de krant. Wat houdt het verhaal in? Het gaat over een mogelijkheid om sommige leerlingen bij een bepaald vak in een bepaalde situatie, met specifieke middelen, beter te laten leren. Dat is het verhaal. Mooi. Maar achter dit boek zit nog een verhaal. Daarvoor neem ik in dit boek deze ene bladzijde. Dat is natuurlijk nooit voldoende dus wordt dit een hele korte samenvatting, waarbij ik zeer zeker iemanden of ietsen over het hoofd zie. Ik hoop dat het me wordt vergeven zo aan het eind van dit verhaal. Het verhaal achter dit boek begint 14 jaar geleden in 1995 als Jan Schröder me vraagt voor een bijbaantje, naast mijn eerste echte schoolbaan. Hij zou me graag hints laten ontwikkelen; en Herman Melis, en Wils Versteegen, twee oud-docenten willen me wel helpen. Ze laten me ook zien dat je in het onderwijs kritisch moet zijn t.o.v. het normale gangetje; niets gaat vanzelf. Jan denkt dat met dit werk ik misschien nog wel eens zou kunnen promoveren, maar op dat moment ben ik er blijkbaar zelf nog niet klaar voor. Wel krijg ik december 1995 voor het eerst het idee dat, wil ik zien of die hints effect hebben, dat moet worden gemeten met een soort van internetverbinding die checkt of iemand materiaal downloadt. Het verhaal gaat verder in 2001, wanneer we bij het IDO een echte professor krijgen: Anne van Streun. Hij gunt ons vakdidactici het doctorschap, en stimuleert ons om in de tijd van UOCG en FWN een eigen onderzoeksidee uit te werken. Anne geeft aan dat probleemoplossen een goed onderwerp zou kunnen zijn, maar ik zie het nog niet zo zitten; is daar dan meer onderzoek over gedaan?. Dat hoef ik niet twee keer aan Anne voor te leggen, en een jaar later ligt er een eerste versie van een plan. Ook zorgt Anne er voor dat mijn ideeën worden voorgelegd aan Egbert Harskamp, en zowel qua onderwerp als persoon blijken we elkaar heel goed te liggen. Het begint te lopen, zeker als ook zijn compagnon Cor Suhre begint aan te schuiven. Egbert vindt dat wanneer je naar een conferentie wil (herfst 2002), je ook een paper moet hebben. Dus zet je een experiment op (winter ), voert het experiment uit (april 2003), presenteert het werk (zomer 2003), en stuurt het naar een journal (herfst 2003). De weg naar het eerste artikel ging zo soepel, dat wordt besloten om op artikelen te promoveren. De resterende artikelen laten soms langer op zich wachten, maar Egbert, Cor en Anne blijven stimuleren. Mijn onderzoek is praktisch, en dus is de school van levensbelang. Niet in het minst dank zij de inzet van verschillende docenten, TOA s en IT-beheerders op het Willem Lodewijk Gymnasium, het KDC, het Fons Vitea en Harlingen kan dit werk worden gedaan. Maar speciaal noem ik mijn eigen collega s van het Augustinus, Derk, Lejo, Guus en Rolf, die er OOK voor zorgen dat het programma gaat lopen, en ik ondertussen ook nog op conferentie kan. Egbert vraagt wel eens hoe het thuis gaat, en ik kan hem geruststellen: Nina is er. Promoveren en kinderen krijgen, het kan. Maar dan moeten beide er volledig achter staan. Ook wanneer we kinderen krijgen, het promoveren gaat door. Nina regelt zelfs enkele malen ongevraagd dat ze met de kinderen gaat logeren, zo dat ik mooi een weekend kan doorpakken. De laatste jaren zijn de artikelen min of meer binnen, en Henk gaat steeds meer andere dingen doen. Anne gaat met pensioen, en wordt opgevolgd door Martin Goedhart. Martin, en Edwin van Lacum, mijn kamergenoot de laatste jaren in Groningen, helpen me naast Egbert en Cor het boekje tot zijn huidige omvang en niveau te brengen. Zoals ik al begon, ik zou veel meer namen moeten noemen. Ik hoop dat dit verhaal ook voor iedereen die er niet in staat, maar mij wel heeft geholpen, wel leuk is om te lezen. Ik ben jullie allen dankbaar; dit werk doe je niet alleen, het is teamwerk! Achter elk verhaal zitten nog weer veel grotere verhalen; Wils, Klaasje, Jan, mijn vader vi

8 TABLE OF CONTENTS CHAPTER ONE THEORETICAL BACKGROUND OF PROBLEM-SOLVING IN PHYSICS Introduction Types of problems in physics education Types of knowledge involved in solving problems and how they can be learned Computer-supported instruction to improving strategic knowledge Timing of instructional support Summary and conclusions 27 CHAPTER TWO DEVELOPMENT AND TEST OF A PROTOTYPE PROGRAM TO SUPPORT PROBLEM-SOLVING Settings for a new problem-solving program Characteristics of an effective program for problem-solving The subject of forces Development of a prototype Test of the prototype Recommendations for the instructional design of the computer program 54 CHAPTER THREE DESIGN OF THE MAIN STUDY OF PHYSHINT Research questions The program Implementation of the computer program in lessons about forces Methodological choices Performance tests Analyses 68 CHAPTER FOUR SOLVING PHYSICS PROBLEMS WITH PHYSHINT Abstract Introduction The development of the computer program Methodology Research results Conclusions and discussion 91 CHAPTER FIVE FIRST INDICATIONS ON HOW PHYSHINT WORKS Abstract Introduction The Physhint program Methodology Results Conclusions, discussion and implications 121 vii

9 CHAPTER SIX RESEARCH INTO COMPONENTS OF PHYSHINT Abstract Introduction and research questions The computer program Methodology Results Conclusion and Discussion 152 CHAPTER SEVEN HOW DO DIFFERENT COMPONENTS OF PHYSHINT WORK? Abstract Introduction The physhint program Methodology Results Conclusions, discussion and recommendations 192 CHAPTER EIGHT CONCLUSIONS AND DISCUSSION Conclusions Reflections Implications for further research Implications for school practice 208 SUMMARY 214 SAMENVATTING 220 REFERENCES 227 CURRICULUM VITAE 237 APPENDIX A: KNOWLEDGE PRE-TEST 238 APPENDIX B: KNOWLEDGE POST-TEST 241 APPENDIX C: PROBLEM SOLVING PRE-TEST 244 APPENDIX D: PROBLEM SOLVING POST-TEST 246 viii