Computer based instructional support during physics problem solving Pol, Hendrik

Transcriptie

1 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 SAMENVATTING Het oplossen van problemen speelt een belangrijke rol in het natuurkundeonderwijs. In de eerste plaats is de vaardigheid om problemen op te lossen voor leerlingen in het voortgezet onderwijs van belang bij het beantwoorden van opgaven tijdens schooltoetsen en het eindexamen. In de tweede plaats zullen sommige leerlingen in hun vervolgonderwijs te maken krijgen met het oplossen van problemen in de natuurkunde of verwante vakken. In deze dissertatie wordt gerapporteerd over een onderzoek waarbij is nagegaan hoe leerlingen uit 4-vwo beter in staat worden gesteld om natuurkundeproblemen in het domein 'krachten' op te lossen. Voor het oplossen van problemen heeft een leerling verschillende soorten kennis en vaardigheden nodig. Ten eerste is er kennis van feiten en begrippen over een bepaald onderwerp; dit wordt declaratieve kennis genoemd. Daarnaast moet een leerling weten hoe hij deze feitenkennis en begrippen kan toepassen: procedurele kennis. Men kan hierbij denken aan het invullen van een formule, maar ook meer algemene procedures als rekenvaardigheden worden hiertoe gerekend. Als laatste speelt de strategische kennis van meer algemene strategieën, nodig om problemen op te lossen, een rol. Hieronder verstaat men dat de leerling een probleem analyseert, de tijd neemt om de eigen achtergrondkennis te organiseren en daarmee een plan uitwerkt om een probleem op te lossen. Ook het reflecteren op het oplosproces tijdens en na het oplossen van een probleem (metacognitie) wordt hieronder verstaan. In de praktijk van het onderwijs wordt vooral aandacht besteed aan het aanleren van declaratieve kennis en procedurele kennis. Het aanleren van strategische kennis krijgt veel minder aandacht. Eigenlijk gebeurt dit alleen tijdens het voorbereiden op het eindexamen. Het is de vraag hoe de ontwikkeling van strategische kennis kan worden gestimuleerd. In de literatuur zijn voorwaarden te vinden waardoor strategische kennis van leerlingen kan verbeteren: de leerling heeft een actieve rol in het oplossen van problemen; de leerling heeft ruimte om zijn eigen oplosstrategieën te ontwikkelen; de leerling lost opgaven op in verschillende probleemsituaties (contexten); tijdens het oplossen wordt nadruk gelegd op het expliciteren van en de reflectie op het oplosproces. 220

3 Door gebruik te maken van computerondersteuning tijdens het oplossen van problemen kan in het reguliere onderwijs aan bovenstaande eisen worden voldaan. Bij het ontwerpen van ondersteuning door de computer moeten verschillende keuzes worden gemaakt. De eerste keuze is of de ondersteuning voor, tijdens of na het oplossen van problemen wordt aangeboden. Er is veel ervaring opgedaan met het aanbieden van aanwijzingen voordat leerlingen zelf problemen gaan oplossen, maar door deze vorm wordt vooral declaratieve en procedurele kennis ontwikkeld. Uit onderzoeksliteratuur blijkt dat voor het ontwikkelen van strategische kennis vooral de hulp tijdens en direct na het oplossen van problemen effectief is. Dit is ook de vorm waarvoor in de experimenten is gekozen. Een tweede keuze die moet worden gemaakt is of de computer bepaalt wanneer hulp wordt geboden, of de leerling. Omdat hiervoor al als eis is gesteld dat voor de ontwikkeling van strategische kennis de leerling de ruimte nodig heeft om die zelf te ontwikkelen, is er in de experimenten voor gekozen dat de leerling kiest wanneer hij welke hulp wil raadplegen. De derde keuze betreft het type opgave waar de leerlingen aan werken en de variatie in de door de computer gepresenteerde uitwerkingen. In dit onderzoek is gekozen voor opgaven waarbij er verschillende oplosroutes zijn maar waar slechts één antwoord correct is. Wanneer in een leeromgeving slechts één oplossingswijze wordt ondersteund, wordt er van uitgegaan dat deze manier de beste is. Bij het ondersteunen van meer oplossingen en uitkomsten voor een bepaald probleem wordt als uitgangspunt genomen dat niet één manier de beste is maar dat de leerling zelf moet beslissen welke manier het best bij hem past. De verwachting is dat dit het ontwikkelen van strategische kennis bevordert. Om ervoor te zorgen dat leerlingen de weg niet kwijtraken tijdens het oplossen van problemen, geeft het programma de leerlingen wel de keuzemogelijkheden, maar zo dat leerlingen een vaste structuur hebben waarbinnen die keuzes worden aangeboden. Deze dissertatie beschrijft het onderzoek naar het effect van het computerprogramma Physhint, een leeromgeving die is gebaseerd op de principes van ondersteuning geven op aanwijzing van de leerling, op het moment dat de 221

4 leerling die nodig heeft. Bij het ontwerpen van de leeromgeving werd rekening gehouden met de voorwaarden voor de ontwikkeling van strategische kennis zoals die hierboven zijn genoemd: een actieve rol voor de leerling, didactische ondersteuning bestaande uit meerdere oplossingswijzen, diversiteit aan contexten in de opgaven en aandacht voor reflectie op het oplossingsproces. Het onderzoek werd gedaan aan de hand van twee uit het voorgaande literatuuroverzicht voortvloeiende onderzoeksvragen: 1. Verbetert het gebruik van een computerprogramma door leerlingen in de schoolpraktijk tijdens en na het oplossen van natuurkundeproblemen de ontwikkeling van strategische kennis van deze leerlingen? 2. Op welke manier zal een dergelijk computerprogramma de ontwikkeling van de strategische kennis van leerlingen verbeteren? Physhint kan in de reguliere les worden gebruikt door leerlingen tijdens het zelfstandig oplossen van natuurkundeproblemen. De opgaven die in het leerboek natuurkunde in de hoofdstukken over 'krachten' staan, zijn ook terug te vinden in het computerprogramma. Kiest een leerling in het programma om een opgave uit te werken, dan komt deze opgave op de linkerkant van het scherm; aan de rechterkant van het scherm wordt een menu getoond met mogelijke hints en een mogelijkheid om antwoorden in te voeren en te laten controleren. Het menu met daarin sleutelwoorden van een hint zijn gerangschikt volgens de episoden voor het probleemoplossen zoals die zijn gegeven door Schoenfeld. Volgens Schoenfeld lossen experts problemen op door eerst een goede analyse van een probleem te maken, daarbij benodigde gereedschappen te zoeken, vervolgens een plan te maken en dit uit te werken. Het oplosproces wordt afgesloten met een controle en evaluatie van de oplossing. Voor het correct oplossen van problemen hoeft een leerling deze stappen niet precies in die volgorde te maken, maar de leerling dient wel alle episoden voldoende aandacht te geven. Volgens Schoenfeld hebben beginnende probleemoplossers veel moeite met het vinden van een oplossing, vooral omdat ze te weinig aandacht geven aan een goede analyse van het probleem. In het computerprogramma zijn voor de verschillende fasen in het oplossen van problemen hints opgenomen. Zo geven hints onder de kop terreinverkennen aanwijzingen hoe een probleem te analyseren, bijvoorbeeld door het advies een schets van het probleem te maken, of een getallenvoorbeeld uit te rekenen. Onder 222

5 het kopje gereedschap zijn aanvullende declaratieve of procedurele aanwijzingen te vinden die nodig zijn voor het oplossen van het probleem. Mocht een leerling er dan nog niet uitkomen, dan kan hij onder plan één of meerdere delen van uitwerkingen zien zodat de leerling daar mee verder kan. Nadat het oplosproces is uitgevoerd krijgt de leerling een tweede menu te zien waar kan worden gekozen uit meerdere uitwerkingen van het probleem (modelantwoorden) zodat de leerling zijn oplossing kan evalueren. De effecten van het programma zijn onderzocht in twee experimenten waarbij het gebruik van het programma door groepen leerlingen werd vergeleken met een controlegroep die tijdens het oplossen van problemen gebruik maakte van een leerboek natuurkunde met daarbij uitwerkingen van de opgaven. In het eerste experiment had de experimentele groep (experimentele groep met hints: n = 11, controlegroep: n = 26) de beschikking over het programma met daarin hints tijdens het oplossen van problemen, en uitwerkingen na het oplossen van de problemen. Het tweede experiment was een uitbreiding van het eerste experiment door de toevoeging van een tweede experimentele groep die wel het computerprogramma met problemen ter beschikking had met de uitwerkingen achteraf, maar niet de hints tijdens het oplossen (groep met hints: n = 18, groep zonder hints: n = 18, controlegroep: n = 23). In het eerste experiment werd het programma geïmplementeerd in een school voor voortgezet onderwijs in Noord-Nederland; in het tweede experiment werd het programma geïmplementeerd op vier over Nederland verspreide scholen voor voortgezet onderwijs met gemiddelde eindexamenresultaten. In beide experimenten waren de deelnemers 15 à 16 jarige 4-vwo leerlingen en stonden onder begeleiding van ervaren eerstegraads docenten. Tijdens de experimenten werden van de experimentele groepen door de computer gegevens van de leerlingen geregistreerd over hun gebruik van het programma (gebruik hints, beantwoorden van opgaven, tijd besteed aan het oplossen). Van de controlegroep werden vergelijkbare gegevens verzameld doordat leerlingen deze bijhielden. De gegevens werden gecontroleerd door de docent. Daarnaast moesten de leerlingen in totaal vier toetsen maken: een voortoets en een natoets die de declaratieve en de procedurele kennis testten en een voortoets en een natoets die de strategische kennis bepaalden. 223

6 Uit de vergelijking van de voor- en natoetsen die tijdens de experimenten werden afgenomen bleek dat het gebruik van het computerprogramma leerlingen helpt hun strategische kennis beter te ontwikkelen in vergelijking met de controlegroep. Uit het eerste experiment bleek dat de volledige versie van het programma met gebruik van hints tijdens en uitwerkingen na het oplossen een meerwaarde biedt ten opzichte van de ondersteuning van de controlegroep die gebruik maakte van het leerboek met uitwerkingen. Het tweede experiment toonde aan dat het aanbieden van hints tijdens het oplossen een meerwaarde heeft ten opzichte van het alleen aanbieden van uitwerkingen na afloop. Verder toonde dit experiment aan dat het computerprogramma met alleen uitwerkingen na het oplossen ook een meerwaarde biedt ten opzichte van het leerboek met uitwerkingen in de controlegroep. In beide experimenten is het gebruik van het programma door de leerlingen in de experimentele groepen geanalyseerd op mogelijke aanwijzingen hoe leerlingen (effectief) gebruik maken van het programma. De uitkomst is dat in de experimenten leerlingen niet meer tijd besteedden aan het oplossen van de problemen wanneer zij gebruik maken van het programma. Wel losten leerlingen in de experimentele groepen meer opgaven correct op, deze leerlingen deden dus meer ervaring op met het zelf correct uitwerken van problemen. Ook werd gekeken of leerlingen gedurende het experiment meer systematisch gebruik gingen maken van de hints en de uitwerkingen van het programma. Met het systematische gebruik van hints wordt dan bedoeld dat de episoden van Schoenfeld worden gevolgd, dat betekent dat eerst eventueel hints worden geraadpleegd voor de episode terreinverkennen, daarna eventueel voor de episode gereedschap en daarna eventueel voor de episode plan, maar niet in de omgekeerde volgorde. Systematisch gebruik van de uitwerkingen houdt ook in dat een uitwerking wordt geraadpleegd, ook als al een goed antwoord is gegeven. Voor een deel van de leerlingen van de experimentele groepen werd dit aangetoond. De groep die een ontwikkeling liet zien van het systematische gebruik van hints scoorde ook significant hoger op de natoets strategische kennis dan de groep die geen ontwikkeling in systematisch gebruik van hints liet zien. Geconcludeerd kan worden dat zowel de gehele versie van het programma als ook de versie met alleen uitwerkingen een positieve invloed hadden op het 224

7 ontwikkelen van strategische kennis door leerlingen. Leerlingen die tijdens het gebruik van het programma een toename lieten zien in het systematische gebruik van de hints van het programma ontwikkelden hun strategische kennis significant beter dan leerlingen die dat niet deden. In dit onderzoek is dus aangetoond dat indirecte instructie met behulp van de computer de strategische kennis van leerlingen kan bevorderen. De aangeboden hulp en terugkoppeling dienen direct beschikbaar te zijn, op verzoek van de leerling. Hierdoor krijgen leerlingen de gelegenheid om hun eigen oplosstrategieën te ontwikkelen. Daarnaast verdient de reflectie op het oplosproces aandacht. Dit kan bijvoorbeeld door leerlingen vragen te stellen over het oplosproces, maar ook door verschillende oplosmogelijkheden te bespreken. Een combinatie van beschikbare hulp tijdens het oplosproces en het verstrekken van uitwerkingen daarna kan de strategische kennis van leerlingen verbeteren zodat leerlingen met meer succes natuurkundeproblemen oplossen. De conclusies van het onderzoek zijn in een aantal opzichten beperkt. Zo is voor het onderzoek gebruik gemaakt van problemen die een eenduidig antwoord verlangen. Daarnaast is het experiment uitgevoerd voor het onderwerp krachten binnen het vak natuurkunde. Meer onderzoek zou kunnen worden gedaan naar de invloed van de onderzochte instructie voor andere onderwerpen en vakken. Een andere beperking is het relatief kleine aantal leerlingen dat aan de experimenten heeft deelgenomen. De meeste verwachte effecten bleken duidelijk aanwezig, maar enkele werden niet gevonden. In een groter opgezet vervolgexperiment kan de stabiliteit van de gevonden effecten worden aangetoond. Het vervolgonderzoek zou kunnen worden uitgebreid met een nadere analyse binnen de experimentele groepen over hoe leerlingen gebruik maken van het programma, of zij hun gebruik als nuttig ervaren en of het gebruik van hints hun zelfvertrouwen versterkt. Aan deze sociaal-cognitieve aspecten van het leren oplossen van problemen is in deze dissertatie geen aandacht besteed. Naast implicaties voor vervolgonderzoek heeft dit onderzoek ook mogelijke gevolgen voor het onderwijs. De ontwikkeling van strategische kennis is van belang voor leerlingen omdat het centrale examen zo is opgezet dat strategische kennis nodig is om de opgaven met succes op te lossen. Ook in het tertiair onderwijs is het bezitten van strategische kennis een factor voor mogelijk succes. 225

8 Daarom verdient het onderwijs in strategische kennis meer aandacht in het voortgezet onderwijs dan het nu krijgt. De ontwikkeling van strategische kennis kan worden gestimuleerd door een aantal voorwaarden te stellen aan het type problemen dat men leerlingen laat oplossen. Zo is met dit onderzoek aangetoond dat strategische kennis kan worden verbeterd door natuurkundekennis te oefenen in verschillende situaties. Het is van belang dat de problemen interessant zijn voor leerlingen door de natuurkunde te koppelen aan voor hen relevante contexten. Verder zou het niveau van problemen zo moeten zijn dat leerlingen moeite hebben de problemen op te lossen, maar daar met behulp van systematisch aangeboden hints toch in slagen. Leerlingen doen op deze manier positieve leerervaringen op met het gebruik van strategische kennis en worden naar verwachting zelfverzekerder. In de praktijk betekent dit vaak dat problemen moeilijker en opener kunnen zijn dan nu vaak het geval is. 226