2 Les- en leerstofopbouw

Transcriptie

1 2 Les- en leerstofopbouw 2.7 Didactische benaderingen Probleemgeoriënteerd leren Hans Poorthuis Inleiding Probleemgeoriënteerd leren is een didactische aanpak die voor het natuurkundeonderwijs antwoord probeert te geven op de volgende vragen: Hoe kun je voorkennis van leerlingen (waaronder leerlingdenkbeelden) inventariseren en activeren en hoe kun je bij die voorkennis aansluiten? Hoe kun je er voor zorgen dat leerlingen tijdens het leren overzicht houden over de inhoudelijke lijn van een hoofdstuk? Deze probleemgeoriënteerde benadering is te zien als een laagdrempelige variant van de probleemstellende benadering (zie paragraaf 2.7.3). Bouwstenen De bouwstenen van een probleemgeoriënteerde benadering zijn hoofdstukvragen in de inleidende paragraaf, een instapprobleem, paragraafvragen, kernbegrippen, oefenopdrachten en een toepassingsprobleem in de daarop volgende leerstofparagrafen, en een samenvatting en toetsvoorbereiding in de afsluitende paragraaf. Het kader hieronder geeft een voorbeeld van zo n probleemgeoriënteerde benadering van een hoofdstuk uit een leerboek, in dit geval over het onderwerp elektriciteit in klas 4 havo en vwo. De elektrische huisinstallatie 1 Inleiding Hoofdstukvragen Hoe wordt er voor gezorgd dat een elektrische schakeling goed en veilig werkt? Welke verschijnselen, eigenschappen en wetmatigheden gelden voor elektrische schakelingen? Met welke wetmatigheden kun je het goed en veilig werken van elektrische schakelingen beter begrijpen? 2 De elektrische schakeling van de huisinstallatie Instapprobleem Wat gebeurt er als je een contactdoos van een verlengsnoer in een emmer water laat vallen? Maakt het uit of de contactdoos randaarde heeft? Paragraafvragen Welke voorzieningen in de huisinstallatie zorgen voor veiligheid? Kun je de werking daarvan begrijpen met eigenschappen van een elektrische schakeling? Kernbegrippen Brandgevaar, aanrakingsgevaar, zekering, aardlekschakelaar, groepen, kortsluiting, overbelasting, lekstroom. Schakelingen: stroomkring, stroombehoud, weerstand, wet van ohm. Huisinstallatie: fasedraad, nuldraad, aarddraad, overbelasting, kortsluiting, brandgevaar, aanrakingsgevaar, isolatie en dubbele isolatie, aarding en randaarde, groepenkast met zekering en aardlekschakelaar. Toepassingsprobleem Waarom kan de aarding van huizen van voor 1950 ondeugdelijk zijn? 3 Serie- en parallelschakeling Instapprobleem Hoe branden gelijke lampjes als je ze opneemt in vier ver-

2 schillende schakelingen van drie lampjes? Hoe verandert dat als je lampjes losdraait? [Dit is nogal vaag] Paragraafvragen Hoe meet je spanning, stroom en weerstand in een schakeling met drie weerstanden? Welke wetmatigheden gelden voor spanning, stroom en weerstand in een schakeling met meer weerstanden? Kernbegrippen Stroomsplitsing, spanningsdeling, wet van ohm, vervangingsweerstand. Toepassingsprobleem Hoe kun je met een schuifweerstand de spanning regelen? 4 Elektrische energie Instapprobleem Wat gebeurt er als je een roodgloeiende metaaldraad die aangesloten is op een spanningsbron deels onderdompelt in water? Paragraafvragen Hoe bereken je in een elektrische schakeling de hoeveelheid warmte die wordt ontwikkeld in de bedrading, in de apparaten en in de bron? Wat is in de huisinstallatie de invloed van verlengsnoeren en bedrading op het goed werken van apparaten en lampen? Kernbegrippen Vermogen, energie, weerstandsregel [?], warmte-evenwicht. Toepassingsprobleem Waarom is de maximaal toegestane stroomsterkte in een opgerold verlengsnoer lager dan in een afgerold verlengsnoer? 5 Weerstand [Ik zie hieronder de relatie met de elektrische huisinstallatie niet] Instapprobleem Hoe ziet de ijkgrafiek er uit van een draaiweerstand die je gebruikt als hoeksensor? Paragraafvragen Welke soorten variabele weerstanden zijn er en waarvan hangt de weerstandswaarde van die variabele weerstanden af? Hoe kun je een variabele weerstand gebruiken voor het meten van bijvoorbeeld lichtsterkte of temperatuur? Kernbegrippen Metaaldraad: weerstand afhankelijk van lengte, dwarsoppervlak en soort metaal. Weerstand afhankelijk van temperatuur (PTC of NTC), licht (LDR), richting (diode), sensorschakeling, ijkgrafiek. Toepassingsprobleem Hoe kun je een NTC-weerstand gebruiken als temperatuursensor? 6 Afronding Samenvatting De leerstof is na iedere paragraaf samengevat in een leerstofoverzicht. Nagegaan wordt of de hoofstukvragen nu beantwoord zijn. Toetsvoorbereiding Ter afronding en ter voorbereiding op de toets maken de leerlingen vier afrondingsopdrachten gespreid over de paragrafen. A Hoe wordt er in huis voor gezorgd dat er weinig gevaar is voor het ontstaan van brand door kortsluiting of overbelasting? (Begrippen: kortsluiting, overbelasting, stroomsterkte, zekering, aardlekschakelaar.) B Hoe wordt er in huis voor gezorgd dat er weinig gevaar is voor het oplopen van een schok? (Begrippen: spanning, stroomsterkte, spanningszoeker, aarding, aardlekschakelaar, isolatie.) C Hoe wordt er in huis voor gezorgd dat er niet teveel energieverlies is in de leidingen? (Begrippen: energieverbruik, weerstand, doorsnede, lengte, warmteontwikkeling.) D Je hebt twee lampjes L 1 (6,0 V; 0,30 A) en L 2 (12,0 V; 0,40A) en twee regelbare weerstanden. Ontwerp een schakeling waarbij

3 beide lampjes op de juiste sterkte branden. Geef een toelichting waarom je schakeling goed werkt. (Begrippen: stroomsplitsing, spanningsdeling.) Hoofdstukvraag De hoofdstukvraag is de richtvraag waarop de bestudering van het hoofdstuk antwoord geeft. Deze vraag is gesteld in termen van voorkennis en bevat geen nog onbekende begrippen. De leerlingen kunnen de vraag begrijpen, maar kennen het antwoord niet want voor dat antwoord is de leerstof uit het hoofdstuk nodig. De functie van de hoofdstukvraag (of hoofdstukvragen) is dat leerlingen zich een beeld kunnen vormen van de focus van het hoofdstuk, waarna deze vraag bij het werken aan het hoofdstuk het denken van de leerlingen organiseert en richt. Dit betekent dat de paragraafvragen moeten aansluiten op de hoofdstukvraag. Instapprobleem Elke leerstofparagraaf start met een instapprobleem. In het voorbeeld is dat een demonstratieproef met onderwijsleergesprek, maar een instapprobleem kan ook worden vormgegeven met een discussieposter, een afbeelding, een verhaal, een brainstorm enzovoort. Het instapprobleem heeft als functie het vaststellen van het onderwerp van de paragraaf, het inventariseren van de voorkennis van de leerlingen (waaronder leerlingdenkbeelden), het oproepen van een behoefte aan verklaring van de waargenomen verschijnselen en (daarmee) het oproepen van een motivatie voor het vervolg. De interactie tussen leraar en leerling is als volgt te structureren: confrontatie met het verschijnsel en stellen van de startvraag [is dat de vraag die in de tabel hierboven bij het instapprobleem staat?], inventariseren van verwachtingen en argumenten, doen van waarnemingen en formuleren van vervolgvragen. Paragraafvraag en kernbegrippen De vraag van het instapprobleem wordt verbreed naar een paragraafvraag. Deze vraag heeft dezelfde kenmerken en functie als de hoofdstukvraag, maar nu gericht op de betreffende leerstofparagraaf, en is te beantwoorden met de kernbegrippen. De paragraafvragen samen geven de verhaallijn van het hoofdstuk. en toepassingsprobleem In de oefenopdrachten worden de verschillende begrippen en vaardigheden geoefend. Hiervoor kan een selectie van oefenopgaven uit het leerboek worden gebruikt. Daarnaast heeft elke leerstofparagraaf als afsluiting een toepassingsprobleem, waarbij er een duidelijk verband is tussen het op te lossen probleem en de leerstof uit de betreffende paragraaf. Het toepassingsprobleem heeft één probleemstelling en is niet onderverdeeld in meerdere deelopdrachten. De moeilijkheidsgraad kan worden gevarieerd door keuzes te maken in het continuüm van contextrijk of contextarm en van gestructureerd (met tussenstappen gegeven) of ongestructureerd (zonder tussenstappen gegeven). [Dit laatste snap ik niet: in de zin ervoor staat dat er geen deelopdrachten zouden zijn.] Een toepassingsprobleem heeft als functie het verwerken en toepassen van de aangeboden leerstof. Een reflectie op de aanpak van het toepassingsprobleem door de leerlingen kan het vaker gebruiken van een algemene en domeinspecifieke probleemaanpak stimuleren. [Is het niet logisch om in de paragraafafsluiting ook terug te komen op het instapprobleem: is dat nu met de verworven kennis uit de paragraaf op te lossen?] Het werken aan het toepassingsprobleem is te structureren met bijvoorbeeld de werkvorm denken-delen-uitwisselen (zie paragraaf 2.7.8). De individuele voorbereiding (denken) kan veelal als huiswerk gebeuren. De groepsopdracht (delen) is gericht op het vinden van de juiste oplossing en op het overdenken van de probleemaanpak door het onderling vergelijken van de individuele voorbereiding. De klassikale nabespreking (uitwisselen) levert aandachtspunten voor een algemene en domeinspecifieke probleemaanpak. [Werkvorm is oké, maar niet specifiek voor de probleemgeoriënteerde benadering, dus hier wel laten staan maar uit de inleiding geschrapt.] Toetsvoorbereiding Voor de toetsvoorbereiding worden bijvoorbeeld vier situaties beschreven die gaan over belangrijke delen van de leerstof. De leerling gaat na of hij die situaties begrijpt met behulp van de geleerde begrippen en wetmatigheden. Het werken aan de toetsvoorbereiding is te structureren met bijvoorbeeld de werkvorm experts (zie paragraaf 2.7.8). De individuele voorbereiding (het maken van één van de opdrachten A t/m D) doet de leerling als huiswerk. Daarna volgt in de klas het werken in de homogene expertgroepen per opdracht (bespreken van de resultaten van het huiswerk en vaststellen van de oplossing van de opdracht), gevolgd door het

4 werken in de gemengde expertgroepen (onderling presenteren van de oplossing van elk van de opdrachten), en afgesloten met een nabespreking van de probleemaanpak. [Zie de opmerking bij de werkvorm denken-delen-uitwisselen.] Leerlingdenkbeelden Een belangrijk didactisch probleem is de ontwikkeling van ongewenste denkbeelden door het onderwijs. Voor elektrische schakelingen zijn daar veel voorbeelden van. Van belang is dat het onderwijs aansluit op de bij de leerlingen aanwezige denkbeelden die gekoppeld zijn aan hun ervaringsituaties. Door nieuwe ervaringen en daarover nadenken kunnen die denkbeelden zich ontwikkelen tot een stevig netwerk van natuurwetenschappelijke begrippen. Een lastig probleem in de communicatie tussen leerling en leraar is dat het vaak voorkomt dat beiden dezelfde woorden gebruiken maar met een verschillende begripsinhoud (zie hoofdstuk 3). Het is de taak van een leraar te herkennen welke begripsinhoud een leerling aan een woord geeft en te zien in hoeverre dit verschilt van de begripsinhoud die de leraar aan dit woord geeft. Onderwijs is dan het realiseren van leeractiviteiten die de begripsinhoud vanuit het gezichtspunt van de leerlingen ontwikkelt in de richting van de begripsinhoud die de leraar aan dat woord geeft. Dat kan alleen via gedeelde ervaringen, door een variëteit aan contexten en door daarover van gedachten wisselen. Leerlingen kunnen alleen de behoefte voelen hun denkbeelden te ontwikkelen als ze ervaren hebben dat de aanwezige denkbeelden weliswaar goed zijn voor het gedeeltelijk begrijpen van een nieuw aangeboden context, maar toch op essentiële punten te kort schiet. De dan gevoelde kennisbehoefte dient dan als motor voor kennisverwerving. Weerstand en warmteontwikkeling Bij het toepassingsprobleem over warmteontwikkeling in een verlengsnoer denken opmerkelijk veel leerlingen dat een opgerold verlengsnoer meer weerstand heeft dan een afgerold verlengsnoer. Navraag leverde het denkbeeld op dat de elektrische stroom meer weerstand voelt omdat het nu steeds bochten moet maken. Een redenering die bijvoorbeeld opgaat voor water in een tuinslang. Verder denken opmerkelijk veel leerlingen dat een grotere weerstand een grotere warmteontwikkeling tot gevolg heeft. Navraag leverde het denkbeeld op dat de stroom een grotere weerstand voelt en dus meer warmte zal ontwikkelen, vergelijkbaar met een grote glijweerstand; een redenering die op zou gaan als de stroomsterkte niet verandert door de grotere weerstand. Klassikaal is het erg lastig om op inbreng van leerlingen in te gaan, zeker als het bijzondere gedachtegangen zijn die voor de rest van de klas niet productief te maken zijn voor de begripsvorming, of die klassikaal veel tijd gaan kosten. Voor leraren is het wel of niet honoreren van dat soort inbreng in een klassikale setting een dilemma. Dat gaat veel gemakkelijker tijdens het begeleiden van groepswerk. Rapportages zijn blijkbaar niet de meest aangewezen vorm voor inbreng van eigen gedachtegang van leerlingen. Leraren gaan interactie hierover steeds vaker verplaatsen naar de begeleiding van het groepswerk. Tijdens het groepswerk is er meestal wel gelegenheid om een eigen gedachtegang van leerlingen te laten verhelderen. Docenten gebruiken dit vaak in hun afronding en maken op die manier een besproken gedachtegang interessant voor de klas als geheel. Om tijdens het groepswerk inbreng van leerlingen te verzamelen, verdient het aanbeveling interactie aan te gaan met de groepjes. Van belang is wel dat het groepje na dit gesprekje niet klaar is, maar juist geactiveerd is tot verder werken. [Het volgende stuk lijkt me in ingekorte vorm iets voor de website, gekoppeld aan een opdracht om zelf eens iets in deze richting te ontwerpen en uitvoeren] Hanteren van dezelfde didactische principes in verschillende domeinen In de voorbeeld-lessenserie is voor elektrische schakelingen bij het boek Newton uitwerking gegeven aan het idee van probleem-georiënteerd leren. De vraag is nu of een ander hier voordeel mee kan doen in de eigen onderwijspraktijk. Dit veronderstelt dat er sprake is van een zekere generalisatie: een andere docent, een ander boek, een andere school, een ander onderwerp, andere leerlingen, andere voorkennis, andere spullen.

5 Principieel kun je geen uitspraken doen over deze generalisatie. De ontwikkeling van de didactiek van de natuurwetenschappen ter verbetering van het natuurwetenschappelijk onderwijs gebaat is bij: - het ontwikkelen van vakdomeingebonden didactische kennis, omdat generale didactische kennis los van de vakcontext weinig aanwijzingen geeft voor het handelen van de vakdocent. - het in beeld brengen per vakdomein van de samenhang tussen onderwijsactiviteiten (door de docent) en leeractiviteiten (door de leerling); anders gezegd: welke onderwijsactiviteiten leiden tot de gewenste leeractiviteiten. Ondanks deze principiële stellingname blijkt dat voor het praktisch gebruik in de klas we toch ons voordeel kunnen doen met gesystematiseerde ervaringen van andere docenten. -de docenten geven aan dat dezelfde opbouw van een lessenserie ook werkt voor andere hoofdstukken van hetzelfde boek en ook voor 5 en 6 vwo. Vooral het gebruikmaken van een instapprobleem en het hanteren van de werkvorm denken-delenuitwisselen biedt nieuwe mogelijkheden. -de docenten voeren de lessenserie zeer verschillend uit, maar kunnen goed met elkaar communiceren over didactische functie en uitvoeringsvarianten van de diverse elementen. Wellicht dat dat ook voor u geldt, waarbij u niet moet vergeten zelf steeds heen en weer te blijven denken tussen uw specifieke situatie en algemene didactische principes. [Het volgende stuk lijkt me iets voor paragraaf 7.4 over ontwerpen] Probleem-georiënteerd onderwijs maakt gebruik van vakdidactiek als ontwerpkunde. Bij de didactiek van de natuurwetenschappen gaat het niet om het toepassen van algemene onderwijswetenschappen in een het domein van het onderwijs in de natuurwetenschappen, maar om het maken van een optimaal didactisch ontwerp binnen gegeven randvoorwaarden met toetsbare kwaliteitseisen. Ter verheldering noemen we als analogie de verhouding tussen natuurwetenschap en technologie. Door het woord technisch te vervangen door didactisch lijken recent ontwikkelde inzichten over het proces van technisch ontwerpen aanwijzingen te bevatten voor het proces van didactisch ontwerpen. Daar waar vroeger de leraar als ambachtelijk professional zowel onderzoeker, ontwerper en uitvoerder was van het onderwijs- en leerproces, is dit nu verdeeld over specialistische functies: de onderzoeker, de leerplanontwikkelaar, de boekenschrijver, en de docent. Anders gezegd: een optimale onderwijsleersituatie kunt u alleen creëren als u een eigen ontwerp maakt voor uw eigen situatie en niet slaafs het schoolboek volgt of leerlingen slaafs laat werken uit dat schoolboek. Bronnen Tsja, wat moet ik met deze bronnenlijst? Voor een deel misschien iets voor op de website. Een deel zou hier ook als referentie kunnen worden opgenomen, maar dan moet de verwijzing daarnaar wel ergens in het stuk zelf komen te staan. In dit stadium zou ik echter niet goed weten wat en waar dat dan moet.] 1) Hans Poorthuis, Interne notitie vakgroep natuurkunde didactiek UU, Een oriëntatie op laagdrempelig probleemstellend onderwijs, november ) Paulien Vegting, Zijn misconcepties mis concepties? NVON-maandblad 13(4), ) Pieter Licht en Marco Snoek, Elektriciteit in de onderbouw: Een inventarisatie van begrips- en redeneerproblemen bij leerlingen. NVON-maandblad, 11(11), ) Pieter Licht, Een model voor elektriciteitsonderwijs, NVON-maandblad 12(6), ) Ed van den Berg, Wim Grosheide, Jannie Breedijk, Anneke Schouten (1995), Misconcepties, elektriciteit, energie en basisvorming, nvox 20(6), ) Kerts Boersma, Systeemdenken en zelfsturing in het biologieonderwijs, nvox 23(3) , en nvox 23(4) ) Bart Westerveld, Vraag en antwoord in de natuurkundeles, uit nvox nummer 5, mei 2001,

6 8) Rupert Genseberger en Ton van de Valk, Past zoiets wel in de tweede fase? Druk, een lessenserie met veel inhoudelijke inbreng van leerlingen uit: 25 (5), ) Marjolein Vollebregt, Kees Klaassen, Rupert Genseberger, Piet Lijnse (1999): Leerlingen motiveren via probleemstellend onderwijs, uit: nvox 24(7), ) Anton Cornelis, De vertraagde tijd.,. 11) Carla van Boxtel (1997), Samenwerkend leren gericht op begripsontwikkeling, groepsopdrachten die zorgen voor een productief gesprek tussen leerlingen, uit: nvox 22(10), ) Sebo Ebbens, Simon Ettekoven, Jos van Rooijen (1997), Samenwerkend leren, Praktijkboek, Wolters-Noordhoff, ISBN ) Sebo Ebbens, Simon Ettekoven, Jos van Rooijen (1996), Effectief leren in de les, basisvaardigheden voor docenten. Groningen: Wolters Noordhoff. 14) Website uitgeverij Newton: 15) Website project probleemgeoriënteerd leren: 16) Website St. Bonifatiuscollege te Utrecht: 17) Piet Lijnse, Didactics of Science: the forgotten dimension in Science Education Research? In: R.Millar, J.Leach and J.Osborne (eds) Improving Science Education, Buckingham: Open University Press (2000) pp ) Piet Lijnse, Designing and validating teaching-learning sequences: a matter of didactical research? 19) Cor de Beurs e.a., Technisch ontwerpen in de tweede fase, uit: nvox 23(6) 1998 pag ) H. Huijs en I. Frederiks, Technisch ontwerpen: klein beginnen 25(10) 2000 pag ) Cor de Beurs, Creativiteit in techniek, Technisch ontwerpen in de tweede fase, Amstel instituut, Uit: nvox 26(3)