5 Vaardigheidsontwikkeling

Transcriptie

1 5 Vaardigheidsontwikkeling 5.4 Ontwerpen Dave van Breukelen Inleiding Ontwerpen is een proces dat vooral aandacht krijgt binnen het techniekonderwijs en relatief nieuwe vakken als onderzoek & ontwerpen (O&O). Het is een belangrijk middel om de technische geletterdheid van leerlingen te verhogen, waardoor ze een betere plaats kunnen verwerven binnen de moderne maatschappij die voortdurend sterk wordt beïnvloed door technologische vooruitgang. Ontwerpvaardigheden hebben hierbij een sterk vakoverstijgend karakter en kunnen dienen als pedagogische strategie voor het bereiken van veel meer dan alleen het realiseren van een functioneel ontwerp (Van Breukelen et al, 2016a). Deze vaardigheden hebben deels een sterke gelijkenis met vaardigheden die binnen de natuurwetenschappen centraal staan, en dan laten we de inhoudelijke verwantschap tussen natuurkundige en technische thema s nog buiten beschouwing. Het is dan ook niet vreemd dat ontwerpen aandacht verdient binnen het natuurkundeonderwijs. In de literatuur over ontwerpen (Roth, 2001; Sidawi, 2009) zijn daarvoor de volgende redenen te vinden. De natuurkunde stelt vooral het begrijpen van de wereld om ons heen centraal. Hiervoor worden abstracte theorieën ontwikkeld en met experimenten getoetst. In die zin is natuurwetenschap sterk conceptueel van aard. Binnen de technische gemeenschap gaat het om het ontwerpen en vervaardigen van technische producten die tegemoetkomen aan menselijk behoeften. Daar waar natuurkunde dus vooral het weten centraal stelt, focust ontwerpen sterker op het doen. Uit onderzoek blijkt dat een koppeling tussen weten en doen het leerproces van leerlingen versterkt (Brown et al, 1989; Jones, 1997), wat draagvlak biedt voor de gedachte om ontwerpen onderdeel te laten zijn van de natuurkundeleerlijn en omgekeerd. De tweede reden betreft de concept-contextbenadering binnen het natuurkundeonderwijs. Betekenisvolle en authentieke contexten zorgen voor zinvol en herkenbaar onderwijs en dragen bij aan het zichtbaar maken van de maatschappelijke relevantie van het schoolvak natuurkunde. Daarnaast toont onderzoek aan dat een contextrijke leeromgeving een sterke bijdrage levert aan het leerproces van leerlingen doordat abstracte kennis betekenis krijgt (Ratcliffe, 2001). Omdat de werking van technische producten vaak te verklaren is met behulp van natuurwetenschappelijke concepten, biedt ontwerpen een rijke context. De derde reden betreft het vaardigheidsleren. Ontwerpen is een activiteit waarbij voor een probleem meerdere oplossingen mogelijk zijn, die allen in meer of mindere mate kunnen voldoen. Om dit doel te bereiken is een kritische houding erg belangrijk, waarbij samenwerkend leren gekoppeld aan momenten van feedback en reflectie cruciale middelen zijn. In die zin werkt ontwerpen toe naar collectieve prestaties, waarbij leerlingen voortdurend elkaars ideeën en inzichten delen om tot een gemeenschappelijk inzicht te komen. Onderzoek laat zien dat leerlingen hierdoor vaardiger worden op het gebied van samenwerken, reflecteren en het geven en ontvangen van feedback. Daarnaast blijkt ontwerpen een goede context te zijn om de experimenteervaardigheden van leerlingen te verbeteren. Een laatste reden, waarmee we niet volledig zijn, betreft de constructivistische benadering van ontwerptaken. Een goed gekozen opdracht biedt leerlingen de ruimte om te verkennen welke kennis en vaardigheden nodig zijn om tot een goed ontwerp te komen. Elke leerling start dan met het verkennen van zijn/haar eigen beginsituatie: wat weet en kan ik al, en wat moet ik nog bijleren? Hierdoor worden leerlingen eigenaar van het leerproces, met een positief effect op hun motivatie. In deze paragraaf gaan we eerst in op de plaats van ontwerpen in de examenprogramma s, het karakter van het ontwerpproces en enkele valkuilen bij het ontwerpen van onderwijs over ontwerpen. Daarna volgt een schets van een mogelijke leerlijn voor de onder- en bovenbouw. Kerndoelen en examenprogramma Een andere reden om aandacht te besteden aan ontwerpen is natuurlijk het feit dat dit wordt voorgeschreven door de kerndoelen en eindtermen. In de in 2004 geformuleerde kerndoelen voor de onderbouw van het voortgezet onderwijs heeft ontwerpen een duidelijke plaats binnen het leergebied mens en natuur, zoals

2 blijkt uit de hieronder weergegeven passages. Kerndoelen onderbouw Leerlingen maken kennis met de methodiek van ontwerpen en passen de geleerde vaardigheden toe door een technisch product of een programma van eisen te ontwerpen. Zij leren daarbij bewuste keuzes te maken met het oog op zorg voor zichzelf, elkaar en de omgeving. Leerlingen leren daarbij inzicht te krijgen in de consequenties van keuzes voor de eigen levenswijze. De leerling leert door onderzoek kennis te verwerven over voor hem relevante technische producten en systemen, leert deze kennis naar waarde te schatten en op planmatige wijze een technisch product te ontwerpen en te maken. Ook de in 2014 verschenen kennisbasis natuurwetenschappen en technologie voor de onderbouw van het voorgezet onderwijs, dienend als richtinggevend leerplankader, ruimt voor ontwerpen een plaats in door de ontwerpcyclus expliciet te bespreken en per domein voorbeelden te geven van ontwerpopdrachten die aan de orde kunnen komen. Voor leerlingen in de bovenbouw havo/vwo blijft ontwerpen een rol spelen, omdat ontwerpen is opgenomen als binnen het examen te toetsen eindterm. Daarbij wordt ontwerpen ook in combinatie met onderzoeken genoemd een combinatie waarvoor veel te zeggen valt en waarop we later in deze paragraaf terugkomen. De hieronder weergegeven eindterm geeft aan welke ontwerpaspecten in de bovenbouw havo/vwo aan de orde moeten komen. Eindterm havo/vwo De kandidaat kan in contexten op basis van een gesteld probleem een technisch ontwerp voorbereiden, uitvoeren, testen en evalueren en daarbij relevante begrippen, theorie en vaardigheden en valide en consistente redeneringen hanteren. Specificatie De kandidaat kan gebruikmakend van relevante begrippen, theorie en vaardigheden en valide en consistente redeneringen: 1 een technisch ontwerpprobleem analyseren en beschrijven; 2 voor een ontwerp een programma van eisen en wensen opstellen; 3 verbanden leggen tussen natuurwetenschappelijke kennis en taken en eigenschappen van een ontwerp; 4 verschillende (deel)uitwerkingen geven voor taken en eigenschappen van een ontwerp; 5 een beargumenteerd ontwerpvoorstel doen voor een ontwerp, rekening houdend met het programma van eisen, prioriteiten en randvoorwaarden; 6 een prototype van een ontwerp bouwen; 7 een ontwerpproces en -product testen en evalueren, rekening houdend met het programma van eisen; 8 voorstellen doen voor verbetering van een ontwerp; 9 een ontwerpproces en -product presenteren. Ontwerpproces De inhoud van de hierboven weergegeven kerndoelen en eindtermen is rechtstreeks te koppelen aan de ontwerpcyclus van figuur 1. Deze cyclus maakt duidelijk dat ontwerpen vooral een proces is dat bestaat uit een samenhangende verzameling van vaardigheden met een duidelijke voorkeursvolgorde die helpt om het ontwerpprobleem op een systematische manier aan te pakken. Hierbij moet worden opgemerkt dat er zeker afgeweken mag of zelfs moet worden van de getoonde volgorde. De cyclus maakt alleen duidelijk dat het doorlopen van alle stappen de kans op een succesvol ontwerp groter maakt. Op verschillende momenten zullen bijvoorbeeld stappen uit de cyclus herhaald moeten worden om voortgang te boeken, waardoor ontwerpen een sterk iteratief Figuur 1 De ontwerpcyclus. karakter krijgt. Ook wordt de cyclus vaak meerdere malen doorlopen om het ontwerp te verbeteren/optimaliseren. Ontwerpen kan daarom wellicht beter als een concentrisch proces worden gezien, waarbij men leert door ervaring en herhaling. Zeker gezien de complexiteit van het totale proces is het van belang, net als bij

3 wetenschappelijk experimenteren, om leerlingen geleidelijk met delen van het proces te laten kennismaken. Dit kan bijvoorbeeld door te oefenen met het opstellen van een programma van eisen. Of door te oefenen met divergent denken: het bedenken van verschillende (deel)oplossingen voor het ontwerpprobleem. Het is belangrijk om dit in het achterhoofd houden bij de volgende beschrijving van de deelprocessen van de ontwerpcyclus. Het zal hierbij slechts gaan om een kernachtige beschrijving van die processen. Voor een meer diepgaande beschouwing wordt verwezen naar Frederik & Van Dijk (2012). Ontwerpprobleem analyseren en beschrijven De eerste fase van de ontwerpcyclus betreft het analyseren en beschrijven van het ontwerpprobleem, waarbij het zaak is om zo goed mogelijk de verschillende deelaspecten van het probleem te exploreren. Daarbij hoort ook een analyse van onder andere de kennis die nodig is om het probleem op te lossen. Deze kennis kan erg breed zijn en tevens bestaan uit ervaringen die zijn opgedaan bij vergelijkbare problemen uit het verleden, een vaardigheid die ook wel case-based reasoning wordt genoemd (Kolodner et al, 2003a). Ook moet er goed worden gekeken naar inzichten die nog verworven dienen te worden. Daarbij is het belangrijk dat leerlingen samenwerken om tot een bepaalde mate van collectieve kennisopbouw te komen. Daarnaast is het van belang dat de inhoud van de ontwerptaak aansluit bij de belevingswereld van de leerlingen, zodat zij eigenaar worden van het probleem en gesignaleerde behoeften en wensen beter kunnen vertalen in ontwerpeisen. Maatschappelijke thema s zoals duurzaamheid en dienstverlening zijn in die zin goede keuzes. Programma van eisen opstellen De tweede fase van de cyclus betreft het opstellen van het programma van eisen. Een programma van eisen is een opsomming van toetsbare voorwaarden waaraan het te ontwerpen product moet voldoen. In sommige gevallen is een dergelijke lijst voorhanden. Als dat niet het geval is, moeten leerlingen in staat zijn om deze eisen uit een gegeven context of door overleg met een opdrachtgever af te leiden. De eisen kunnen betrekking hebben op bijvoorbeeld belangrijke functies, eigenschappen en vormgeving van een te ontwerpen product. (Deel)uitwerkingen bedenken Tijdens de volgende fase staat het bedenken van alternatieve (deel)oplossingen centraal om recht te kunnen doen aan het programma van eisen. Een belangrijke vaardigheid hierbij is het creatief en divergent denken, waarbij er verschillende oplossingen/uitwerkingen worden gezocht voor de (deel)eisen. Een nuttig hulpmiddel daarbij is een morfologisch schema, ook wel ideeëntabel genoemd. Een dergelijk schema (zie figuur 2 voor een voorbeeld) brengt overzichtelijk in kaart welke uitwerkingen er per eis zijn bedacht. Figuur 2 Voorbeeld van een morfologisch schema of ideeëntabel, in dit geval voor een

4 (middeleeuwse) katapult. Ontwerpvoorstel formuleren De vierde fase betreft het formuleren van een ontwerpvoorstel op basis van een optimale combinatie van deeluitwerkingen, bijvoorbeeld op basis van het morfologisch schema. Hierbij hoort uiteraard een grondige onderbouwing, waarbij duidelijk de gemaakte afwegingen in kaart worden gebracht. Inzichten die tijdens de vorige fase op basis van divergent denken zijn ontstaan, leiden nu via convergent denken tot een oplossing voor het ontwerpprobleem. Daarbij horen ook ondersteunende tekeningen en schetsen die zichtbaar maken hoe het product er uiteindelijk uit komt te zien. Dit heeft een bijkomend voordeel: onderzoek heeft aangetoond dat het maken van schetsen en tekeningen leerlingen helpt bij het publiekelijk maken van ideeën en inzichten die ten grondslag liggen aan de gekozen oplossing. Ontwerp realiseren In de vijfde fase gaat het om het realiseren van het ontwerp als prototype of model. Een prototype is een werkende probeerversie of proefversie van het uiteindelijk gewenste product. Ook kan in bepaalde gevallen eerst een op schaal gemaakt model gerealiseerd worden dat nog niet (volledig) werkend is. Een combinatie van beiden behoort ook tot de mogelijkheden, waarbij delen van het ontwerp gemodelleerd en andere delen op werking getest worden, waarna alles tot één geheel wordt samengevoegd. Uiteindelijk leidt deze fase tot een ontwerp dat getest kan worden met betrekking tot de gestelde eisen. Ontwerp testen en evalueren In de laatste fase staat het testen en beoordelen van het ontwerp centraal, waarbij wordt gekeken in hoeverre het ontwerp aan de eisen voldoet. Het mag duidelijk zijn dat experimenteervaardigheden hier een belangrijke rol kunnen spelen. Het testen en evalueren kan, als niet naar tevredenheid aan alle eisen wordt voldaan, leiden tot verbetervoorstellen. Deze voorstellen kunnen worden verkregen door bepaalde fasen van de ontwerpcyclus te herhalen. Uiteindelijk worden verbeteringen doorgevoerd, waarna het ontwerp weer wordt getest. Het ontwerpproces wordt afgesloten met een tweetal niet in de ontwerpcyclus opgenomen fasen: het rapporteren en presenteren van het eindontwerp en het proces en het reflecteren op het ontwerpproces. Bij het rapporteren en presenteren is het vooral belangrijk dat inzichtelijk wordt welke afwegingen en beslissingen zijn genomen tijdens het proces ten dienste van de functionaliteit van het ontwerp. Leerlingen moeten laten zien dat ze planmatig en iteratief gewerkt hebben, en beperkt een beroep hebben gedaan op trial and error. Hiervoor hoeft niet veel tekst geproduceerd te worden, maar kunnen tabellen, zoals een morfologisch schema, en foto s met onderschrift erg behulpzaam zijn. De presentatie kan frontaal voor de klas plaatsvinden met inzet van ict-middelen. Een andere mogelijkheid is een gallery walk, waarbij net als in een museum ieder ontwerp kan worden bekeken en, zo mogelijk, uitgeprobeerd. Ontwerpen zouden dan meteen beoordeeld kunnen worden met betrekking tot het programma van eisen. Bij de reflectie op het ontwerpproces staat allereerst het terugkijken op de procesgang centraal: wat ging goed en wat was voor verbetering vatbaar? Ten tweede moet op basis hiervan gekeken worden naar de toekomst: welke voornemens zijn er voor een volgende ontwerptaak? Verder moet de leraar ervoor zorgen dat leerlingen reflecteren op zowel vaardigheden, kennis als houding. De STARR-methode (Verhagen, 2011) analyse van situatie, taak, actie en resultaat gevolgd door reflectie kan een hulpmiddel zijn voor de leraar om het reflecteren vorm te geven, zowel tijdens als na afloop van de ontwerptaak. Koppeling met natuurkunde De bovenstaande beschrijving van het ontwerpproces gaat nog niet expliciet in op de manier waarop we het ontwerpproces in samenhang met natuurkunde kunnen aanbieden. Daarvoor moeten we vooral kijken naar de overeenkomsten en verschillen tussen beide disciplines. Overeenkomsten kunnen al snel gevonden worden op inhoudelijk gebied, zoals thema s rondom elektriciteit en mechanica. Deze inhoudelijke verwantschap is vooral belangrijk om een keuze te maken voor een te realiseren ontwerp. Denk bijvoorbeeld aan het ontwerpen van een voertuig aangedreven door veerkracht of aan het ontwerpen van een alarmsysteem op basis van een elektrische schakeling. Kijken we naar vaardigheden, dan zullen deze vooral invloed hebben op hoe het ontwerpproces wordt aangeboden aan de leerlingen. De tabel van figuur 3 geeft een overzicht van belangrijke overeenkomsten en verschillen met betrekking tot vaardigheden (Kolodner, 2002a). Er dient daarbij gezocht te worden naar een manier waarbij de identiteit van beide disci-

5 plines behouden blijft, gemeenschappelijke vaardigheden bekrachtigd worden en essentiële verschillen elkaar op een natuurlijke manier aanvullen. Natuurkundige vaardigheden Technische vaardigheden Doorgronden van een probleem en wat in het kader daarvan onderzocht kan worden. Genereren van vragen die onderzocht kunnen worden door middel van een experimentele setting. Experimenteel onderzoeken: modelleren, leren van casussen, overweg kunnen met variabelen, observeren en meten, herkennen van patronen. Beslissen op basis van (onderzoeks)informatie, rapporteren en verantwoorden van conclusies. Iteratie naar begrip. Wetenschappelijk verklaren, onderbouwen en redeneren. Communiceren van ideeën, resultaten, interpretaties, implicaties, verantwoordingen, verklaringen en principes. Samenwerken binnen teams en tussen teams, krediet geven, reflecteren, feedback geven en ontvangen, afspraken nakomen. Identificeren en prioriteren van eisen en voorwaarden met betrekking tot een probleemstelling. Overweg kunnen met en begrip hebben van materialen, bewerkingstechnieken, gereedschappen en overige ontwerpgerelateerde zaken. Onderzoeken van technische toepassingen: ontwerpen en onderzoeken van (gerealiseerde) modellen, leren van casussen, divergent denken. Beslissen op basis van (onderzoeks)informatie, rapporteren en verantwoorden van ontwerpbeslissingen. Iteratie naar een succesvol ontwerp. Tekortkomingen verklaren en verfijnen van het ontwerp. Communiceren van ideeën, ontwerpbeslissingen en ontwerpregels. Samenwerken binnen teams en tussen teams, krediet geven, reflecteren, feedback geven en ontvangen, afspraken nakomen. Figuur 3 Overzicht van natuurkundige en technische vaardigheden. Een benadering om de in figuur 3 weergegeven vaardigheden samen te brengen is rond de eeuwwisseling veelvuldig uitgeprobeerd en onderzocht. In vrijwel alle, sterk op elkaar lijkende, gevallen lag daarbij een ontwerptaak aan de basis voor het leren van onder andere natuurwetenschappelijke vaardigheden en inhouden. Een van de meest onderzochte en succesvolle methodes is Learning by Design (Kolodner et al, 2003b), afgekort met LBD. Deze onderzoeken laten zien dat de LBD-methode, vergeleken met traditioneel onderwijs, leerlingen vaardiger maakt op het gebied van samenwerken, metacognitie en vakspecifieke vaardigheden zoals experimenteren en wetenschappelijk redeneren. Ook leren leerlingen die de LBD-methode gebruiken minimaal op een even diep niveau over natuurkundige concepten. De LBD-methode is gebaseerd op twee activiteitencycli: ontwerpen en herontwerpen en exploreren en onderzoeken, zoals weergegeven in figuur 4 (Kolodner, 2002b). De basisgedachte is dat leerlingen, opererend in ontwerpgroepen van maximaal drie tot vier leerlingen, moeten exploreren (verkennen) welke kennis nodig is om een succesvol ontwerp te realiseren dat voldoet aan de eisen. Op basis van deze verkenning worden onderzoeksvragen opgesteld. Deze onderzoeksvragen worden met hulp van de leraar gekoppeld aan het natuurkundige kennisdomein, waarna door middel van het zoeken naar informatie en het uitvoeren van natuurwetenschappelijke experimenten en/of simulaties naar antwoorden wordt gezocht. Hiervoor worden de onderzoeksvragen verdeeld over de ontwerpgroepen, zodat er na afloop tijdens een klassikaal moment informatie moet worden gedeeld tussen de groepen. Leerlingen worden op deze manier afhankelijk van elkaar. Hierbij moet gezegd worden dat bij de LBD-methode elke ontwerpgroep aan de slag gaat met hetzelfde ontwerp. Dit om door middel van onderlinge kennisdeling conceptuele diepgang te bereiken met betrekking tot de onderliggende natuurkunde. Het is uiteraard ook mogelijk om leerlingen aan verschillende ontwerptaken te laten werken, waarbij onderlinge feedback nog altijd mogelijk is. De opbrengsten van het onderzoek worden vervolgens gebruikt om binnen de ontwerpgroepen een ontwerpvoorstel te formuleren dat weer klassikaal van feedback wordt voorzien. De leraar zal tijdens deze fase voortdurend aansturen op een expliciete koppeling met natuurkundige concepten om de functionaliteit van de ontwerpideeën aan een kritische reflectie te onderwerpen. Na afloop starten de ontwerpgroepen met het maken van het ontwerp, waarna onderzocht wordt of het ontwerp voldoet aan het programma van eisen. Op basis hiervan

6 kunnen vervolgens bepaalde onderdelen uit het proces herhaald worden om het ontwerp te verbeteren. De LBD-methode voorziet het ontwerpproces dus van een conceptuele basis en stelt het natuurwetenschappelijke experiment centraal bij het zoeken naar ontwerpvoorstellen en het testen van het uiteindelijke ontwerp. Tijdens het proces houdt iedere ontwerpgroep een ontwerplogboek bij waarin gevraagd wordt naar foto s, inzichten, experimentverslagen, het verwerken van feedback, momenten van reflectie enzovoort. De tabel van figuur 5 laat in detail zien hoe de LBD-methode in de praktijk kan worden geïmplementeerd (Van Breukelen et al, 2016b), met bij elke activiteit een indicatie van of het gaat om een groepsactiviteit of groepsproduct of om een klassikale activiteit of klassikaal product (K). Een tijdsindicatie is moeilijk te geven, omdat deze sterk afhangt van de diversiteit en complexiteit van het gekozen ontwerpprobleem. begrijpen wat wordt gevraagd Wat te doen? onderzoeksvragen opstellen ontwerp plannen (kennis toepassen) gallery walk resultaten delen hypothesen opstellen postersessie resultaten delen ontwerpen en herontwerpen exploreren en onderzoeken pin-up sessie resultaten delen analyseren en verklaren experimenten plannen resultaten analyseren maken en testen Wat te weten? experimenten uitvoeren Figuur 4 De activiteitencycli van de LBD-methode. Fase Activiteiten Producten 1 Introductie van de taak en context 2 Exploratie van de taak en vaststellen wat er geleerd moet worden 3 Experimenteren, analyseren en postersessie 4 Ontwerpregels vaststellen 5 Ontwerpvoorstel en pin-up sessie 6 Maken en testen, analyseren en verklaren, gallery walk Introductie van de context, opdracht, opzet en organisatie, leerdoelen en leermiddelen Exploratie van de context, taak en leerdoelen Ideeën noteren, onderzoeksvragen en hypothesen formuleren Whiteboarding: onderzoeksvragen presenteren via flip chart, feedbacksessie, definitieve onderzoeksvragen formuleren en koppelen aan het natuurwetenschappelijke kennisdomein (K) Verdelen van de onderzoeksvragen over de ontwerpgroepen (K) Discussie over eerlijk experimenteren (K) Opzetten en uitvoeren van experimenten, inzetten van simulaties, zoeken naar informatie, opbrengsten verwerken, poster maken Posterpresentaties inclusief feedbackronde (K) Vuistregels formuleren voor succesvol ontwerp, gebaseerd op onderzoeksopbrengsten (K) Vuistregels koppelen aan natuurwetenschappelijk kennisdomein (K) Divergent denken: bedenken van alternatieve deeloplossingen Voorstel maken voor ontwerp: poster maken Pin-up sessie (posters) inclusief feedbacksessie (K) Aanpassen van ontwerpvoorstel Prototyping: realisatie van het ontwerpidee Testen van het ontwerp op basis van het Taakafhankelijk Ontwerplogboek fase 2 Flip chart voor whiteboarding Definitieve set onderzoeksvragen (K) Ontwerplogboek fase 3 met labverslagen Poster met resultaten Ontwerplogboek fase 4 Vuistregels voor ontwerp (K) Ontwerplogboek fase 5 met ontwerpschetsen Poster voor pinup sessie Ontwerplogboek fase 6 met foto s van maakproces

7 7 Herontwerpen en (eind)reflectie programma van eisen Gallery walk: presenteren ontwerp, feedbacksessie (K) Ontwerpregels bijstellen en sterktezwakteanalyse per ontwerp (K) Herhaling van stappen afhankelijk van resultaten (G/K) Verbeteren van het ontwerp en tonen van resultaat (K) Eindbeschouwing van taak- en leeropbrengsten (G/K) Eindreflectie gericht op kennis, vaardigheden en houding (G/K) Prototype ontwerp Ontwerplogboek fase 7 met reflecties Figuur 5 De LBD-methode in de praktijk. Valkuilen Het is inmiddels wel duidelijk geworden dat ontwerpopdrachten sterk aansturen op actief leren en dat de rol van de leraar sturend en begeleidend van aard is. Het inkleden van deze rol is cruciaal voor de uiteindelijke leeropbrengsten, en daarmee is de belangrijkste valkuil meteen benoemd. De leraar moet zorgen voor een transparant en doorlopend leerproces waarbij duidelijk is welke leeropbrengsten verwacht mogen worden, zowel conceptueel als met betrekking tot vaardigheden. Zo maakt een goede analyse van de gekozen ontwerpopdracht duidelijk welke onderliggende (natuurkundige) concepten bepalend zijn voor een succesvol ontwerp. Deze concepten zullen sterk worden aangesproken en daarmee een relatief grote leerwinst laten zien. Concepten die indirect betrokken zijn, maar wel belangrijk zijn voor de begripsvorming, zullen dus op een andere manier aan de orde moeten komen, bijvoorbeeld via onderwijsleergesprekken, experimenten, demonstratieproeven of frontale uitleg. Tijdens de taak moeten leerlingen vooral kunnen leren van de ervaringen die ze opdoen, maar dit moet niet alleen gebaseerd zijn op trial and error. Om dit te voorkomen zal de leraar wanneer mogelijk terughoudend moeten zijn en wanneer nodig moeten ingrijpen een vaardigheid die sensitive assistance wordt genoemd. De tabel van figuur 6 geeft een overzicht van belangrijke vaardigheden die daarbij kunnen helpen (Van Breukelen et al, 2016c). Het betreft vaardigheden die vooral in de praktijk geleerd moeten worden in bijvoorbeeld inductieachtige trajecten waarbij feedback en reflectie met betrekking tot eigen handelen centraal staat. De vaardigheden zijn ingedeeld op basis van interactietype en context, aangevuld met informatie over het feit of de vaardigheid hoofdzakelijk in preparerende (P) of anticiperende (A) zin invloed heeft. Interactie Leerling-leerling Leerling-leraar Strategieën per context Samenwerken Het samenwerken van leerlingen moet gestructureerd worden (bijvoorbeeld: denken-delen-uitwisselen) (P). Stimuleer samenwerking tijdens het proces: de medeleerling moet het eerste aanspreekpunt zijn (A). Stimuleer en verplicht het maken van schetsen/tekeningen omdat dit het delen van inzichten bevordert (A/P). Stel materialen en gereedschappen voortdurend beschikbaar omdat dit groepsdiscussie bevordert (A/P). Reflecteren Voorzie de taak van vaste reflectiemomenten (P). Stimuleer reflectie tijdens het proces door vragen te stellen met een reflectief karakter (A). Verplicht en stimuleer leerlingen om reflectieopbrengsten actief in te zetten voor toekomstig handelen (A/P). Richt reflectie op successen en mislukkingen met aandacht voor inhoud, vaardigheden en houding (A/P). Feedback geven Stimuleer peerfeedback en richt vaste momenten in voor het geven en ontvangen van feedback (A/P). Voorzie leerlingen van tijdige feedback (op het moment zelf) (A). Voorzie de leerlingen niet van oplossingen maar fungeer als bron: vraag door en geef tips/advies (A). Zorg dat feedback dient als input voor reflectie (en toekomstig handelen) (A/P).

8 Door middel van knowledge and skill builders (KSB) kunnen leerlingen eerst ervaring opdoen met kennis en vaardigheden die op een later moment belangrijk zijn tijdens het ontwerpproces (Burghardt & Hacker, 2004). Leerlingen voeren bijvoorbeeld eenvoudige samenwerkingsopdrachten uit, puur gericht op het leren samenwerken. Verder doen leerlingen bijvoorbeeld kennis op over ontwerpmethodieken, het gebruik van materialen en gereedschappen of er wordt geoefend met het voorbereiden en verzorgen van een presentatie. Een andere variant is het exploreren van ontwerpgerelateerde contexten waarbij vooral het kennismabovenbouw onderbouw Leerling-proces Expliciteren Bespreek alle leerdoelen expliciet voor, tijdens en na de taak (P). Stimuleer leerlingen om hardop te denken: maak gedachten van leerlingen expliciet (A). Gebruik resultaten betreffende feedback en reflectie om inhouden, processen enzovoort expliciet te maken (A/P). Expliciteer omvangrijke en/of complexe eenheden in kleinere eenheden (scaffolding) (A/P). Verwijs herhaaldelijk, consequent en expliciet naar officiële terminologieën en onderliggende concepten (A/P). Procesbegeleiding Sta leerlingen toe om te falen en voorkom mislukkingen niet voortijdig: geef indien van toepassing liever feedback (A). Zorg dat alle conceptuele inhouden voldoende aan de orde komen en voeg eventueel extra activiteiten toe (P). Voorkom tijdsdruk: gebruik bijvoorbeeld (positieve) feedback om leerlingen te stimuleren (A/P). Zorg voor goede instructies en hoogwaardige leermaterialen en stimuleer leerlingen om deze te gebruiken (A/P). Figuur 6 Strategieën van de leraar voor het sturen en begeleiden van leerlingen in hun leerproces. Leerlijn Gezien de diversiteit en complexiteit aan vaardigheden die gecombineerd worden tijdens ontwerpen zal een leerlijn vooral gericht moeten zijn op het aanleren van deze vaardigheden, waarbij de diversiteit en complexiteit van de taken steeds verder toeneemt naarmate de tijd vordert. Een voorbeeld van zo n leerlijn is weergegeven in figuur 7. Het idee hierbij is dat leerlingen vanuit aanleeropdrachten uiteindelijk in staat zijn om open ontwerpopdrachten met succes te doorlopen. Het tempo waarin dit gebeurt, de mate waarin de complexiteit toeneemt en de mate waarin er ingespeeld wordt op natuurkundige concepten kan, afhankelijk van de achtergrond, context en doelgroep, vrij worden gekozen. Vaardigheden aanleren samenwerken feedback en reflectie plannen en organiseren hanteren van gereedschappen experimenteren Programma van eisen en divergent denken probleem beschrijven eisenprogramma opstellen deeloplossingen bedenken Knowledge and skill builders Kennis aanbrengen kennis over ontwerpen systeemdenken materialenkennis gereedschapskennis natuurkundige concepten Cyclus zooming Kiezen en realiseren van een geschikte oplossing deeloplossingen bedenken ontwerpvoorstellen doen ontwerp maken en presenteren Gesloten ontwerpopdrachten gericht op het volledig doorlopen van de ontwerpcyclus Open ontwerpopdrachten Kennismaking ontwerpen praktijkvoorbeelden omgekeerd ontwerpen design-thinking challenges Ontwerp testen en herontwerpen bestaande ontwerpen testen eisenprogramma afleiden herontwerpen Figuur 7 Voorbeeldleerlijn ontwerpen.

9 ken met ontwerpen centraal staat: wat houdt een ontwerper bezig, waarom is ontwerpen belangrijk, wat merken we ervan in het dagelijks leven? Tijdens omgekeerd ontwerpen (reverse design) kunnen leerlingen bijvoorbeeld kennismaken met ontwerpen door het analyseren van een bestaand product. De leerling kruipt in de huid van de ontwerper door de film van het ontwerpproces terug te spoelen. Vanuit de analyse van een concreet product wordt zodoende nagedacht over ontwerpbeslissingen en het programma van eisen. Een laatste explorerende activiteit is het inzetten van design-thinking challenges. Dit zijn kleine taken waarbij leerlingen met een beperkte set spullen een bepaalde prestatie moeten leveren. Daarbij mogen leerlingen (al samenwerkend) veelal op basis van een eigen aanpak de uitdaging aangaan. Op deze manier verkennen leerlingen al doende het werkgebied van een ontwerper. Een bekend voorbeeld betreft het maken van een zo hoog mogelijke toren van een beperkt aantal marshmallows en (ongekookte) spaghettislierten. Een volgende stap in het leerproces heeft betrekking op het inzoomen op één of enkele stappen van de ontwerpcyclus: cyclus zooming. Bepaalde kennis en vaardigheden die tijdens KSB-activiteiten aan de orde zijn gekomen worden nu samengevoegd ten dienste van het ontwerpen. Het doel is dus om leerlingen ontwerpvaardigheden aan te leren zonder het hele pakket aan vaardigheden ineens aan te bieden. Een mogelijkheid kan zijn om drie soorten opdrachten aan te bieden, waarbij de eerste soort zich richt op het programma van eisen en divergent denken, de tweede soort op het kiezen en realiseren van een geschikte oplossing en de derde soort op het testen en herontwerpen. Er zijn voldoende concrete voorbeelden te vinden van dit soort opdrachten (TUD, 2016; Geuzebroek-Frederik & Vrijman-van Putten, 2007). Afhankelijk van de doelgroep kan de samenstelling, complexiteit en omvang van deze taken echter behoorlijk verschillen. Uiteindelijk zouden leerlingen in staat moeten zijn om een (meer) open ontwerpopdracht aan te kunnen. Er kan hierbij gedacht worden aan het door de leerlingen zelf formuleren van een ontwerpopdracht op basis van ideeën die afkomstig zijn uit de directe omgeving of actualiteit, maar het kan ook gaan om een specifieke vraag vanuit het bedrijfsleven om een oplossing te ontwerpen voor een probleem. Dit laatste voorbeeld vormt binnen het relatief nieuwe schoolvak onderzoek & ontwerpen (O&O) een rode draad door de gehele leerlijn. Referenties Brown, J.S., Collins, A. & Duguid, P. (1989). Situated cognition and the culture of learning. Educational Researcher 18(1), Burghardt, M. & Hacker, M. (2004). Informed design: A contemporary approach to design pedagogy as the core process in technology. Technology Teacher 64(1), 6-8. Frederik, J.E. & Van Dijk, G. (Red.) (2012). Techniekdidactiek. Leiden/Utrecht: Microweb Edu/Ecent. Geuzebroek-Frederik, I. & Vrijman-van Putten, M. (Red.) (2007). Ontwerpen moet je doen: creativiteit en motivatie met technisch ontwerpen. Groningen: NVON. Jones, A. (1997). Recent research in learning technological concepts and processes. International Journal of Technology and Design Education 7, Kolodner, J.L. (2002a). Facilitating the learning of design practices: Lessons learned from an inquiry into science education. Journal of Industrial Teacher Education 39(3), Kolodner, J.L. (2002b). Learning by design: Iterations of design challenges for better learning of science skills. Bulletin of the Japanese Cognitive Science Society 9(3), 339. Kolodner, J.L., Gray, J.T. & Fasse, B.B. (2003a). Promoting transfer through case-based reasoning: Rituals and practices in Learning by Design classrooms. Cognitive Science Quarterly 3(2), Kolodner, J.L., Camp, P., Crismond, D., Fasse, B., Hyser, S., Lamberty, J., Prince, L & Ryan, M. (2003b). Learning by Design: Project-Based Inquiry Science for Middle School that Works. Atlanta, GA: Georgia Institute of Technology. Ratcliffe, M. (2001). Science, Technology and Society in school science education. School Science Review 82(300), Roth, W.-M. (2001). Learning science through technological design. Journal of Research in Science Teaching 38(7), Sidawi, M. (2009). Teaching science through designing technology. International Journal of Technology and Design Education 19(3), TUD (2016). Ontwerpopdrachten cyclus zooming. Delft: Delft University of Technology. Van Breukelen, D., Michels, K., Schure, F. & De Vries, M. (2016a). The FITS model: An improved Learning by Design approach. Australasian Journal of Technology Education 3, Van Breukelen, D.H.J., De Vries, M.J. & Schure, F.A. (2016b). Concept learning by direct current design challenges in secondary education. International Journal of Technology and Design Education. Van Breukelen, D.H.J., Van Meel, A.M.D.M. & De Vries, M.J. (2016c, in press). Teaching strategies to promote concept learning by design challenges.

10 Verhagen, P. (2011). Reflectie met de STARR-methode. Kwaliteit met beleid. Bussum: Coutinho.