ONDERZOEKEND LEREN ALS NORM?

Transcriptie

1 26 H O O F D S T U K 4 ONDERZOEKEND LEREN ALS NORM? 4.1 Twee pedagogische benaderingen binnen het wetenschapsonderwijs Twee benaderingen binnen het Historisch zijn er twee pedagogische benaderingen gegroeid binnen het wetenschapson- wetenschapsonderwijs: deductieve benadering derwijs. De eerste benadering is een eerder inductieve benadering deductieve benadering waarbij de leerkracht wetenschappelijke concepten bij de kinderen aanleert door ze via demonstraties te visualiseren. Die methode is eerder een top-down benadering. De bedoeling is dat kinderen vanuit deze demonstraties toegang krijgen tot de vaak abstracte wetenschappelijke theorieën. Voorbeeld: Samen met de leerkracht ontdekken kinderen het concept drijven en zinken. De meeste kinderen geloven dat enkel gewicht bepaalt of iets blijft drijven of niet. Maar hoe komt het dan dat een klein speldje zinkt, terwijl een grote oceaanboot blijft drijven? De leerkracht probeert dit te verduidelijken en gebruikt daarvoor plasticine. Eerst maken ze een bol van plasticine en vervolgens een bootje van plasticine, met hetzelfde gewicht. Ze plaatsen ze beide in het water. De bol plasticine zinkt, terwijl het bootje blijft drijven. Zo zien kinderen dat het veranderen van de grootte of het volume van een object, het gedrag van het object in water verandert. Dit kan worden geduid met het concept drijven versus zinken. Een tweede benadering is een inductieve benadering die meer ruimte biedt voor onderzoeken vanuit onderzoeksvragen of vanuit observaties. Het leren is leerlinggecentreerd en gebeurt meestal in kleine groepen. Het wordt gefaciliteerd door de leerkracht die dan een begeleidende rol heeft. Deze methode is eerder een bottom-up benadering en wordt vaak gedefinieerd als probleemoplossend leren. Probleemoplossend leren verwijst naar een

2 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 27 leeromgeving waarbij leren gestimuleerd wordt vanuit een noodzaak om een probleem op te lossen. Tijdens het proces van probleemoplossend leren gaan leerlingen eerst het probleem interpreteren, dan verzamelen ze informatie over het probleem, identificeren ze mogelijke oplossingen, evalueren ze de verschillende opties en presenteren ze de conclusies (Shamir, Zion, & Spector-Levi, 2008). Jonge kinderen zijn bijzonder ontvankelijk voor deze benadering omdat het herkennen van gebeurtenissen gemakkelijker is dan het hanteren van talige concepten die verwijzen naar dergelijke gebeurtenissen. De rol van de leerkracht daarbij is de kinderen te voorzien van bruikbare onderwerpen die aansluiten bij de leefwereld van het kind en de daarbij horende materialen en bronnen om hen te stimuleren tot ontdekken en leren (Shamir, Zion, & Spector-Levi, 2008). Voorbeeld: Fleur en Marie spelen op de wip in de speeltuin. Ze spelen een spelletje waarbij ze allebei op gelijke hoogte boven de grond willen hangen. Dat blijkt niet zo gemakkelijk, want Fleur weegt meer dan Marie. Het wordt nog moeilijker als Soetkin erbij komt. De juf beslist om daar in de klas dieper op in te gaan. Ze zorgt voor materiaal zoals een wip en verschillende gewichten die de spelende kinderen voorstellen. Hoe krijgen Fleur en Marie de wip mooi in evenwicht? Onderzoeksvraag 1: Hoe moeten de twee kinderen nu op de wip gaan zitten? De kinderen gebruiken het materiaal om hun antwoord te bewijzen. En wat als Soetkin erbij komt zitten? De wip is helemaal niet meer in evenwicht. Hoe krijgen Soetkin, Fleur en Marie de wip nu terug in evenwicht? Onderzoeksvraag 2: Hoe moeten de drie kinderen op de wip zitten opdat hij in evenwicht is? De kinderen gebruiken het materiaal om hun antwoord te bewijzen. Op een inductieve manier ontdekken kinderen hier het concept hefbomen. 4.2 Een specifiek voorbeeld van onderzoekend leren Voorbeeld (Leonard & Penick, 2009): De leerkracht houdt een bankbiljet vast bij de rand zodat het verticaal naar beneden hangt. Vervolgens vraagt ze aan de kinderen of er iemand is die het biljet kan vangen tussen duim en wijsvinger wanneer het plots wordt losgelaten. De kinderen mogen hun duim en wijsvinger elk langs een kant in het midden van

3 28 leren is onderzoeken het biljet houden. Uiteraard zijn er een aantal leerlingen die dit willen proberen en denken dit te kunnen. Maar tot hun grote verbazing is er niemand die erin slaagt. Dan vraagt de leerkracht hoe dat kan. De leerlingen antwoorden dat ze wachten tot ze het zien vallen, en dat ze vervolgens zo vlug mogelijk proberen om de vingers te sluiten. Met een beetje hulp van de leerkracht slagen de kinderen erin om uit te leggen dat ons oog het vallen waarneemt en dat deze informatie wordt doorgegeven naar de hersenen. Vervolgens wordt vanuit de hersenen een signaal teruggestuurd naar de spieren van de hand en de vingers sluiten. De leerlingen zijn enthousiast wanneer ze zich realiseren dat deze eenvoudige activiteit meer om het lijf heeft dan ze oorspronkelijk dachten. Nu volgt een andere vraag van de leerkracht. Wanneer we dit nu weten, wat kun je nu proberen zodat je het biljet wel kunt vangen? Na wat discussie zet de leerkracht de leerlingen verder aan het denken: Als de weg via het oog te gecompliceerd is en te lang duurt, welke andere zintuigen zou je dan kunnen gebruiken? Na een beetje brainstormen, zegt een leerling: Misschien moet degene die het moet vangen, de ogen sluiten. De leerling moet dan proberen het biljet te vangen als er iemand anders op zijn schouder tikt als het biljet wordt losgelaten of als iemand anders roept vang! op het moment dat het biljet losgelaten wordt. Na enige discussie zijn er toch leerlingen die denken dat het gemakkelijker zal gaan als ze toch kunnen kijken, terwijl andere dan toch meer te vinden zijn voor horen of voelen als betere zintuigen om het probleem op te lossen. De leerkracht sluit geen enkele suggestie uit en zal straks de leerlingen in kleine groepjes aan het werk zetten om het probleem op te lossen. Maar eerst moeten de leerlingen op weg gezet worden om de activiteit goed te kunnen uitvoeren. Leerlingen hebben immers een meer kwantitatieve benadering nodig om de verschillende opties (zien, voelen, horen) met elkaar te vergelijken. De leerkracht vraagt aan de leerlingen hoe ze in het experiment objectief kunnen meten om te weten te komen welke zintuigen het best zullen werken? Zo zouden ze bijvoorbeeld een meetlat kunnen gebruiken in plaats van een bankbiljet. Leerlingen moeten het ook eens worden omtrent een aantal variabelen die gedurende het experiment gecontroleerd moeten worden: het materiaal dat gebruikt wordt (een meetlat van 1 m), de arm van degene die vangt moet horizontaal gestrekt zijn, degene die loslaat en degene die laat vallen moeten allebei staan, en er moet afgesproken worden hoeveel keer het experiment telkens wordt uitgevoerd. Dan kan een gemiddelde genomen worden van elk van deze pogingen. Na wat discussie komen de leerlingen tot het volgende akkoord om het onderzoek te standaardiseren. Degene die de meetlat laat vallen, houdt de meetlat vast op de markering van 90 cm. Degene die moet vangen, houdt wijsvinger en duim ter hoogte van de markering van 10 cm en duim en wijsvinger op 1 cm van de meetlat. Wanneer de meetlat wordt losgelaten, probeert de vanger deze zo snel mogelijk te vangen en wordt de afstand gemeten.

4 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 29 Van zodra de leerlingen de onderzoeksvraag duidelijk afgebakend hebben, hypotheses hebben opgesteld en een onderzoeksopzet hebben afgesproken, zijn ze klaar om de onderzoeksdata te verzamelen door middel van een experiment. Ze moeten dus de reactietijd meten in drie condities: door te kijken (zien = kijken wanneer de meetlat losgelaten wordt en dan reageren), door aan te raken (voelen = een tik op schouder op het moment dat de meetlat losgelaten wordt), door te horen (horen = iemand roept vang! als de meetlat losgelaten wordt). Wanneer de resultaten van de verschillende groepen bij elkaar gelegd worden, komen de kinderen tot de verrassende vaststelling dat het vangen van de meetlat het best lukt door de tik op de schouder! Deze resultaten worden dan geïnterpreteerd en er wordt getracht een verklaring te vinden voor deze vaststelling. Daarna kan de leerkracht de activiteit uitbreiden door te vragen of er een verschil in reactietijd zou zijn tussen jongens en meisjes. Daarvoor zullen de kinderen hun persoonlijke reactietijden moeten meten en dan met elkaar vergelijken. Eventueel kan hier ook een grafiek voor gemaakt worden. Om de afstand om te zetten in reactietijd kan de volgende formule gebruikt worden: d = - ~ g ~ t 2 (met d = afstand, t = reactietijd en g = 9,8 m/s, dus 2 x d = t. g Wanneer de meetlat bijvoorbeeld 15 cm valt alvorens ze gevangen wordt, dan is de reactietijd = 0,18 seconden (18 milliseconden). Uiteraard moeten kinderen deze formule niet kennen, maar de leerkracht kan deze formule wel in een Excelbestand invoeren. Leerlingen hoeven dan maar de afstand in te voeren om de reactietijd te weten te komen. Deze activiteit is ook te vinden op (vak wereldoriëntatie dagelijkse inname voor de praktijk lat), evenals voorbeelden van onderzoeksactiviteiten met jongere kinderen (bv. Hoe kunnen we superbellen blazen?).

5 30 leren is onderzoeken 4.3 Onderzoekend leren gedefinieerd Wetenschapsonderwijs moet meer Het belang van onderzoekend leren is gebaseerd op de overtuiging dat het wetenschaps- zijn dan het memoriseren van wetenschappelijke concepten of onderwijs meer moet zijn dan het memoriseren van wetenschappelijke concepten en informatie. wetenschappelijke informatie. Wetenschapsonderwijs moet vooral bijdragen tot het begrijpen en toepassen van wetenschappelijke concepten en het gebruik van de wetenschappelijke methode bij het oplossen van wetenschappelijke probleemstellingen. Op die manier wordt wetenschappelijke kennis opgebouwd vanuit onderzoek. Zoals echte wetenschappers gaan de kinderen de natuurlijke (fysische) wereld bestuderen. Ze leren vanuit gerichte observatie en proberen verklaringen te vinden die gebaseerd zijn op het bewijsmateriaal dat ze verzamelen vanuit het onderzoek (Leonard & Penick, 2009). De term onderzoekend leren vindt zijn oorsprong in het werk van Piaget, Vygotski en Ausubel (Piaget, 1985); (Piaget, 1953). Het werk van deze onderzoekers was ingebed in de filosofie van het constructivisme. Vanuit deze filosofie werden instructiemethodes en bijbehorende materialen ontwikkeld die geclassificeerd kunnen worden onder de noemer inquiry based (op onderzoeken gebaseerd). Dit waren vooral hands-on activiteiten waarbij kinderen gemotiveerd en gestimuleerd werden om actief te denken, om nieuwe informatie te organiseren en deze te integreren in reeds bestaande kennispatronen. Sociale interactie wordt daarbij als een belangrijke factor gezien omdat op die manier gedeelde kennis ontstaat (Shamir, Zion, & Spector-Levi, 2008); (Thurston, et al., 2007). Dit wordt verder behandeld in 5.2. In de literatuur (Quintana, Reiser, Davis, Krajcik, Fretz, & Duncan, 2004) definieert men onderzoek als het proces waarbij onderzoeksvragen gesteld worden en vervolgens onderzocht worden met empirische data, ofwel via directe manipulatie van variabelen of vanuit interpretatie van bestaande data. Deze data kunnen kwalitatief of kwantitatief zijn. De term onderzoek (inquiry) verwijst in principe naar drie categorieën van activiteiten (Minner, Levy, & Century, 2010): 1. wat wetenschappers doen (i.e. het uitvoeren van onderzoek, gebruikmakend van de wetenschappelijke methode),

6 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? hoe leerlingen leren (i.e. een wetenschappelijke probleem actief onderzoeken door te denken en te handelen door middel van een of meerdere experimenten = onderzoekend leren), 3. de pedagogische benadering die leerkrachten gebruiken (i.e. het ontwikkelen of gebruiken van curricula die aansturen op onderzoeken). Onderzoekend leren: Het proces waarbij kinderen aangestuurd worden om onderzoek uit te voe- leerlingen leren vanuit onderzoeksvragen en trachten daarvoor vanuit ren met als doel een wetenschappelijk onderzoek oplossingen te vinden. probleem op te lossen, kan men dan als onderzoekend leren benoemen: leerlingen leren vanuit onderzoeksvragen en trachten daarvoor vanuit onderzoek oplossingen te vinden (Schraw, Crippen, & Hartley, 2006). Het National Research Council (NRC) omschrijft de volgende kerncomponenten van onderzoekend leren vanuit het perspectief van de leerling (Minner, Levy, & Century, 2010): 1. Leerlingen worden uitgedaagd om wetenschappelijke probleemstellingen op te lossen. 2. Leerlingen geven prioriteit aan het verzamelen van bewijsmateriaal (data) tijdens het onderzoek. 3. Leerlingen formuleren verklaringen voor de probleemstelling vanuit het verzamelde bewijsmateriaal. 4. Leerlingen reflecteren over het gevoerde onderzoek en de resultaten ervan en kunnen hun verklaringen naast alternatieve verklaringen plaatsen. 5. Leerlingen communiceren hun bevindingen. Quintana, Reiser, Davis, Krajcik, Fretz, & Duncan (2004) onderscheiden in het onderzoeksproces drie componenten van onderzoeksvaardigheden (zie ook 4.4): Sense making: dit omvat basishandelingen zoals het formuleren van voorspellingen en hypothesen. Process management: dit omvat strategieën om het onderzoeksproces te controleren. Een voorbeeld hiervan is het toepassen van de wetenschappelijke denkcirkel (zie figuur 1) (Dejonckheere, Van de Keere, & Mestdagh, 2009) die gebaseerd is op de onderzoekscyclus van White & Frederiksen (1998): deze heuristiek bestaat uit een sequentieel proces

7 32 leren is onderzoeken van vraagstelling voorspelling en hypothese experiment theorievorming en toepassing. Figuur 1: de wetenschappelijke denkcirkel als heuristiek voor wetenschappelijk denken Oriëntatiefase Wat is het probleem? Wat moeten we precies onderzoeken? Is dit duidelijk? Herstructureringsfase Was onze voorspelling juist? 1 2 Onderzoeksvraag materiaal 4 3 Verkenningsfase Hoe gaan we dit onderzoeken? Wat denk je dat er zal gebeuren? Waarom denk je dat? Uitvoeringsfase Op onderzoek! Voer uit! Op (vak wereldoriëntatie dagelijkse inname voor de praktijk) wordt aan de hand van concrete voorbeelden (lat en parachute) weergegeven hoe een activiteit onderzoekend leren begeleid kan worden door middel van de wetenschappelijke denkcirkel. Articulation and reflection: dit omvat de evaluatie, reflectie en communicatie van het bekomen product en het doorlopen onderzoeksproces. De hierboven genoemde componenten zijn eerder breed geformuleerd. In 4.4 gaan we daar dieper op in. In een review van Minner, Levy, & Century (2010) heeft men een grondige definiëring van onderzoekend leren willen nastreven. De onderzoekers bestudeerden in totaal 138 Amerikaanse studies met betrekking tot onderzoekend leren, die gepubliceerd werden tussen 1984 tot Die studies handelden allemaal over het effect van onderzoekend leren op het begrijpen van wetenschappelijke concepten bij kinderen uit het lager onderwijs. We komen later terug op de resultaten van deze studie (zie 4.5). Om de impact te kunnen onderzoeken, was het nodig om eerst de term onderzoekend leren af te bakenen. Daarvoor is gekeken naar gelijkenissen binnen bestaande definities om van daaruit tot een operationele defini-

8 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 33 tie voor onderzoekend leren binnen het wetenschapsonderwijs te komen. Onderzoekend leren wordt gekarakteriseerd door vier aspecten: 1. De aanwezigheid van wetenschappelijke materie (biologie, fysica, ruimtevaart ). 2. De kinderen zijn actief betrokken tijdens de activiteit (manipuleren van materialen, waarnemen, gebruik van secundaire bronnen zoals boeken, internet ). 3. De kinderen zijn zelf verantwoordelijk voor hun leren, ze worden aangezet tot actief denken en zijn gemotiveerd. 4. Ten minste een van de volgende componenten van de onderzoekscyclus moet aan bod komen tijdens de activiteit: het stellen van onderzoeksvragen, het opstellen van een voorspelling en/of hypothese, het opstellen en uitvoeren van een experiment, data verzamelen vanuit waarnemingen, conclusies formuleren en communiceren. Kinderen zijn zelf verantwoordelijk voor hun leren refereert naar het feit dat de kinderen zelf mee helpen bepalen hoe en wat ze gaan leren. Tijdens het leerproces moeten ze kunnen aangeven waar ze hulp nodig hebben en die hulp dan ook vragen. Kinderen worden aangezet tot actief denken refereert naar hoe kinderen omgaan met de wetenschappelijke concepten. In welke mate worden ze gestimuleerd tot nadenken over die concepten? Motivatie verwijst naar de persoonlijke inbreng in het leerproces. Uiteraard zijn er gradaties binnen deze vier aspecten. Men spreekt soms van open en gesloten onderzoekend leren, maar eigenlijk is dat toch wat te kort door de bocht. In de review van Minner, Levy, & Century (2010) spreekt men eerder van de mate waarin een interventie de kinderen aanzet tot het in handen nemen van het leerproces of het actief denken. Het is dus eerder een gradatie in plaats van twee discrete condities open of gesloten. Onderzoekend leren is een specifieke vorm van probleemoplossend leren, maar is specifiek doordat het zoeken naar een oplossing voor de probleemstelling gebeurt door middel van het uitvoeren van een onderzoek waarbij systematisch een of meerdere fasen van de onderzoekscyclus doorlopen word(t)(en) (Rocard, Csermely, Jorde, Lenzen, Walberg-Henriksson, & Hemmo, 2007). De kennis omtrent wetenschappelijke concepten enerzijds en wetenschappelijke processen (onderzoeksvaardigheden) anderzijds worden bij onderzoekend leren niet los van elkaar aangeboden. Onderzoekend leren kan de basis vormen voor het aanbrengen van wetenschappelijke geletterdheid bij kinderen (White & Frederiksen, 1998).

9 34 leren is onderzoeken In figuur 2 wordt schematisch weergegeven hoe onderzoekend leren in verband kan worden gebracht met het stimuleren van wetenschappelijke geletterdheid. Figuur 2: Onderzoekend leren als didactiek voor het ontwikkelen van wetenschappelijke geletterdheid bij kinderen Onderzoekend leren (Minner, Levy, & Century, 2010) Aanwezigheid van wetenschappelijke materie Kinderen zijn actief betrokken tijdens de activiteit (hands-on, brains-on) Kinderen zijn zelf verantwoordelijk voor hun leren Componenten van het onderzoeksproces komen aan bod Domeinspecifieke kennis (concepten) Inhoudelijke kennis over wetenschappelijke concepten Wetenschappelijk geletterdheid Domeinoverstijgende strategieën Componenten van het onderzoeksproces (onderzoeksvaardigheden) Sense making: basisoperaties Process managment: strategieën om het onderzoeksproces te controleren Articulation and reflection: evaluatie, reflectie en communicatie van het bekomen resultaat en proces 4.4 Onderzoeksvaardigheden onder de loep Negen categorieën van onderzoeksvaardigheden en In de review Collaborative inquiry learning: models, tools and challenges (Bell, bijbehorende gedragsindicatoren. Urhahne, Schanze, & Ploetzner, 2010) wordt een vergelijking gemaakt van de recente literatuur omtrent het afbakenen en definiëren van onderzoeksvaardigheden binnen het onderzoekend leren. Een synthese werd gegenereerd vanuit deze verge-

10 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 35 lijking en een set van negen categorieën kon gedetermineerd worden. Ze worden geduid als de voornaamste onderzoeksvaardigheden binnen het onderzoekend leren. Aan die negen categorieën worden hieronder de specifieke gedragsindicatoren gekoppeld die nagestreefd kunnen worden bij kinderen tijdens het onderzoekend leren. Ze zijn gebaseerd op een checklist voor het beoordelen van onderzoeksvaardigheden en attitudes die verscheen in het boek Assessment in science: a guide to professional development and classroom practice (Shepardson & Britsch, 2001). Een checklist die de onderstaande negen categorieën van onderzoeksvaardigheden en bijbehorende gedragsindicatoren weergeeft, is te vinden op (vak wereldoriëntatie dagelijkse inname voor de praktijk lat onderzoeksvaardigheden observeren bij kinderen). Deze checklist kan gebruikt worden om het leerproces van kinderen voor onderzoeksvaardigheden op te volgen. 1. Wetenschappelijke problemen herkennen en daarover vragen stellen Dit is meestal de eerste stap in een onderzoek. Kinderen doen observaties van een wetenschappelijk concept dat hun aandacht of interesse trekt (bv. Hoe krijg je een wip in evenwicht, wanneer er twee kinderen opzitten met een verschillend gewicht?). Idealiter komen de voorgestelde problemen vanuit de kinderen zelf. Meestal wordt eerst een probleem vastgesteld, dat nadien moet vertaald worden in een onderzoekbare vraag. Voorbeeld: Vader maakt voor Jens een schommel. Hij gebruikt hiervoor een touw en een autoband. Het touw knoopt hij vast aan een tak van een boom die verderop in de tuin staat. Vader vraagt aan Jens of hij een hoge tak met een lang touw of een lage tak met een kort touw moet nemen. Jens wil eigenlijk maar één ding: met de schommel moet hij snel kunnen heen en weer schommelen. Aan welke tak zou vader het touw dan moeten vastknopen? De onderzoeksvraag bij deze probleemstelling is dan: heeft de lengte van de schommel een invloed op de tijd nodig om heen en weer te schommelen?

11 36 leren is onderzoeken Gedragsindicatoren bij wetenschappelijke problemen herkennen en daarover vragen stellen De leerling toont interesse vanuit nauwkeurige observatie en heeft oog voor details; stelt zich open voor nieuwe dingen en nieuwe situaties; stelt veel vragen, ook vragen die onderzocht kunnen worden (onderzoeksvragen); kan een wetenschappelijk probleem herkennen (= herkent het verschil tussen vragen die onderzocht kunnen worden en vragen die niet onderzocht kunnen worden); kan een wetenschappelijk probleem vertalen in een onderzoekbare vraag waarin duidelijk wordt aangegeven wat onderzocht moet worden; stelt vragen vanuit voorspellingen en/of verklaringen die ontstaan tijdens de activiteiten. 2. Voorspellen Dit is een bewering/beschrijving over de uitkomst van een specifiek onderzoek. Wat denk je dat er zal gebeuren? Een voorspelling verwijst dus naar verwachte uitkomsten bij een specifiek onderzoek. Een voorspelling is zo geformuleerd dat ze verifieerbaar is en dus bij toetsing moet uitkomen of niet uitkomen. Toetsing van een voorspelling is dus de verificatie ervan. In een voorspelling gaan de kinderen hun overtuiging/ideeën uitspreken (bv. als we dit onderzoek uitvoeren, dan zal dat gebeuren ) terwijl in een hypothese de nadruk ligt op de relatie tussen variabelen binnen het onderzoek (zie 4.4.3). Voorbeeld: Met een kort touw zul je snel heen en weer schommelen in vergelijking met een langer touw. Gedragsindicatoren bij voorspellen De leerling gebruikt verschillende bronnen, bewijsmateriaal of reeds eerder opgedane wetenschappelijke kennis om voorspellingen te maken en/of te verklaren;

12 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 37 kan voorspellingen/veronderstellingen argumenteren vanuit een gefundeerde basis; kan vanuit bepaalde observaties of reeds bestaande informatie de transfer maken naar een specifieke situatie die onderzocht moet worden. 3. Hypothesen opstellen Een hypothese is meer gericht op het toetsen van een theorie. Een hypothese is een algemene stelling die nog niet is bewezen. Ze wordt opgesteld en geformuleerd vanuit reeds bestaande kennis of reeds bestaand bewijsmateriaal of informatiebronnen. Ze overstijgt één specifiek onderzoek. Een hypothese kan bevestigd worden vanuit meerdere onderzoeken met degelijke bewijzen. Wanneer een hypothese bewezen is, dan wordt dit een theorie. Het is mogelijk zeer veel aanwijzingen te verzamelen die een hypothese steunen, maar één enkel negatief uitvallend experiment is voldoende om de hypothese te ontkrachten. Meestal wordt een hypothese geformuleerd als de relatie tussen variabelen en heeft ze de vorm van een als-dan -formulering. Een hypothese stellen is een moeilijke taak voor de kinderen. Kinderen weten vaak niet goed op welke variabelen in een onderzoeksvraag ze zich moeten focussen. We komen daarop terug in 4.6. Voorbeeld: Ik denk dat de lengte van het touw van de schommel een invloed heeft op de snelheid waarmee de schommel zal heen en weer gaan. Als het touw van de schommel korter is, zal hij sneller heen en weer gaan, in vergelijking met een langer touw. Gedragsindicatoren bij hypothesen opstellen De leerling kan een hypothese opstellen waarbij de relatie tussen de te onderzoeken variabelen duidelijk weergegeven wordt; kan een hypothese opstellen waarbij duidelijk wordt aangegeven wat onderzocht moet worden.

13 38 leren is onderzoeken 4. Plannen Hier gaat het over het opstellen van een onderzoek om de voorspelling en de hypothese te testen. Het gaat hier ook over het selecteren van de juiste materialen en meetinstrumenten. Voorbeeld: Om te onderzoeken of de lengte van het touw van de schommel een invloed heeft op de slingertijd, moeten we een experiment plannen waarbij de ene keer getest wordt met een kort touw en de andere keer met een lang touw. Het gewicht van de persoon (of het voorwerp) en de hoogte vanwaar de schommel losgelaten wordt (amplitude), moet in beide gevallen wel hetzelfde zijn. Gedragsindicatoren bij plannen De leerling geeft suggesties om voorspellingen/hypothesen te testen; heeft een duidelijk idee over welk bewijsmateriaal gezocht moet worden om een bepaalde onderzoeksvraag te beantwoorden; kiest een juiste oplossingsmethode of heuristiek om de onderzoeksvraag op te lossen; kiest een realistische manier om te meten, te vergelijken en om resultaten te bekomen. 5. Onderzoeken Dit omvat het gebruik van de juiste materialen of technieken om informatie en data te verzamelen. Er wordt bijzonder veel aandacht besteed aan gericht waarnemen en het verzamelen van bewijsmateriaal. Voorbeeld: Om de resultaten van het experiment met de schommel juist te kunnen interpreteren, meten we met een stopwatch hoelang het duurt om tien slingerbewegingen te maken. Wanneer we dat getal delen door tien, verkrijgen we de tijd nodig voor één slingerbeweging. We herhalen de meting vijf keer voor een betrouwbaarder resultaat en noteren dit in een tabel. Daarna doen we de meting opnieuw, maar we verkorten het touw voor de helft. We meten opnieuw hoelang het duurt om tien slingerbewegingen te maken met het korte touw.

14 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 39 Gedragsindicatoren bij onderzoeken De leerling onderneemt stappen die verzekeren dat het bekomen resultaat accuraat zal zijn (bv. meerdere metingen uitvoeren); gebruikt de zintuigen om gericht te onderzoeken; gebruikt bepaalde (meet)instrumenten om de waarnemingen of handelingen te verbeteren; zoekt naar en identificeert details in objecten, organismen of gebeurtenissen (data); merkt bepaalde patronen, relaties of sequenties op tijdens de activiteiten. 6. Onderzoeksresultaten vastleggen Het gebruik van tools om de onderzoeksresultaten op een duidelijke manier weer te geven. Dit kan via het maken van een model, een schema, een grafische voorstelling (een tekening), een mathematisch model Voorbeeld: Resultaten van een experiment vastleggen in een tabel of grafiek. Gedragsindicatoren bij onderzoeksresultaten vastleggen De leerling kan observaties adequaat vastleggen in tekeningen, grafieken of tekst; gebruikt tabellen, grafieken om het onderzoek te kunnen rapporteren. 7. Analyseren en interpreteren van de observaties (data) Interpretatie van de data kan resulteren in een antwoord op de onderzoeksvraag en in een bevestiging van de gestelde hypothese. Hierbij hecht men bijzonder veel belang aan het hanteren van bewijsmateriaal. Voorbeeld: De meetresultaten worden beschreven. De meetresultaten tonen aan dat de schommel sneller heen en weer schommelt met een korter touw, in vergelijking met een langer touw.

15 40 leren is onderzoeken Gedragsindicatoren bij analyseren en interpreteren van de observaties (data) De leerling gebruikt de vastgelegde observaties als bewijsmateriaal; gaat informatie of bewijsmateriaal nachecken, wanneer het niet past binnen de verwachtingen; durft bepaalde metingen of observaties in vraag te stellen wanneer ze niet passen binnen de verwachtingen. 8. Evalueren en conclusie formuleren Kinderen trekken conclusies vanuit de verkregen data uit het onderzoek. Het evalueren van deze data is een reflectief proces dat de kinderen helpt om hun eigen onderzoek te beoordelen. Voorbeeld: Kunnen we nu een duidelijk antwoord formuleren op de onderzoeksvraag? Voldeed het experiment om de onderzoeksvraag te beantwoorden? Gedragsindicatoren bij evalueren en conclusie formuleren De leerling geeft verklaringen die gebaseerd zijn op wetenschappelijke kennis en/of bewijsmateriaal; kan de verklaringen duiden op basis van waarnemingen (data) vanuit het gevoerde onderzoek; is zich bewust van het feit dat verklaringen tijdelijk kunnen zijn en kunnen veranderen; gebruikt de beschikbare kennis en bewijsmateriaal voor het opstellen van verklaringen en oplossingen voor de problemen; kan bestaande ideeën wijzigen wanneer er genoeg bewijsmateriaal voor is om dat te doen; kan alternatieve ideeën aanvaarden en interpreteren; staat open voor het kritisch evalueren van positieve en negatieve aspecten bij het eigen gevoerde onderzoek; zoekt naar alternatieve ideeën, eerder dan juist het eerste idee te volgen.

16 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? Communiceren Dit geeft de samenwerkingsvaardigheden weer die belangrijk zijn binnen onderzoekend leren. Communicatie is een proces dat over het geheel van het onderzoeksproces loopt en reeds begint met het formuleren van onderzoeksvragen en eindigt met het presenteren en rapporteren van resultaten. Voorbeeld: Bij het formuleren van een voorspelling discussiëren de kinderen onderling over de verwachte invloed van de lengte van het touw bij het heen en weer schommelen. Gedragsindicatoren bij communiceren De leerling praat vrijuit met anderen over de activiteiten en de ideeën; luistert naar de ideeën van anderen en kijkt naar hun resultaten; neemt verschillende visies van anderen in de groep in overweging; praat gemakkelijk vrijuit met andere leerlingen over gerelateerde ideeën in de kleine groep, maar ook voor de volledige klasgroep; toont respect voor andere ideeën in de groep. In figuur 3 wordt onder de vorm van een concordantietabel de relatie weergegeven tussen de drie componenten van onderzoeksvaardigheden opgesomd in de review van Quintana, Reiser, Davis, Krajcik, Fretz, & Duncan (2004) en de negen categorieën van onderzoeksvaardigheden vermeld in de review van Bell, Urhahne, Schanze, & Ploetzner (2010). Figuur 3: Een concordantietabel met betrekking tot onderzoeksvaardigheden 3 componenten van onderzoeksvaardigheden (Quintana, Reiser, Davis, Krajcik, Fretz, & Duncan, 2004) Sense making: basisoperaties 9 categorieën van onderzoeksvaardigheden (Bell, Urhahne, Schanze, & Ploetzner, 2010) Wetenschappelijke problemen herkennen en daarover vragen stellen Voorspellen Hypothesen opstellen Onderzoeksresultaten vastleggen

17 42 leren is onderzoeken Process management: strategieën om het onderzoeksproces te controleren Articulation and reflection: evaluatie, reflectie en communicatie van het verkregen resultaat en proces Plannen Onderzoeken Analyseren en interpreteren van de onderzoeksdata Evalueren en conclusie formuleren Communiceren 4.5 Leidt onderzoekend leren tot betere leerresultaten bij kinderen? Er zijn drie redenen waarom onderzoekend Schraw, Crippen, & Hartley (2006) leren tot goede leerresultaten kan leiden. gaven in een recente review een overzicht van het onderzoek met betrekking tot het onderzoekend leren binnen het wetenschapsonderwijs. In de review komen ze tot drie redenen waarom onderzoekend leren tot goede leerresultaten kan leiden. Ten eerste biedt onderzoekend leren de mogelijkheid tot communicatie tussen leerlingen via samenwerkend leren. Dergelijke activiteiten bieden kansen tot het stimuleren van cognitief conflict of stimuleren het samen opbouwen (co-constructie) van nieuwe cognitieve structuren of ideeën (Thurston, et al., 2007); (Shamir, Zion, & Spector- Levi, 2008). In dergelijke gevallen worden probleemoplossingsvaardigheden met elkaar gedeeld (zie verder bij 5.2). Ten tweede stimuleren dergelijke activiteiten ook de motivatie van de leerlingen, omdat er gewerkt wordt vanuit een duidelijk onderzoekbare vraagstelling die leidt tot antwoorden vanuit onderzoek. Dit heeft wellicht ook een beter en duidelijker begrijpen van wetenschappelijke concepten tot gevolg. Ten derde kan onderzoekend leren ook metacognitieve vaardigheden stimuleren bij leerlingen, omdat het een actieve betrokkenheid bij het leerproces impliceert. Metacognitie verwijst dan naar kennis en regulatie van de eigen cognitie bestaande uit zowel kennis als strategieën, zoals onderzoeksvaardigheden (zie 5.1). In een reeds eerder genoemde review Inquiry-based science instruction What is it and does it matter? (Minner, Levy, & Century, 2010) wordt de impact bestudeerd van onderzoekend leren binnen het wetenschapsonderwijs in het basisonderwijs (kleuter- en lager onderwijs) van 1984 tot studies werden hiervoor grondig geanalyseerd.

18 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 43 De graad van onderzoekend leren binnen deze studie werd bepaald door de volgende factoren: In welke mate legt men in de activiteit de klemtoon op het in handen nemen van het leerproces door de leerlingen. In welke mate legt men in de activiteit de klemtoon op het actief denken en handelen van de leerlingen. In welke mate zijn de leerlingen gemotiveerd tijdens het leerproces. Het aanleren van wetenschappelijke kennis wordt in de review uitgesplitst in het aanleren van wetenschappelijke concepten of theorieën (bv. het concept van drijven en zinken, hefbomen...) en het aanleren van feiten (bv. water kookt bij 100 C). 104 studies focussen specifiek op het aanleren van wetenschappelijke concepten. Wanneer men een analyse maakt van alle 138 studies, dan wordt in 51% (71 studies) van de studies een positief effect van onderzoekend leren op het aanleren van wetenschappelijke inhouden (zowel feiten als concepten of theorieën) vastgesteld. Deze resultaten zijn dus niet overtuigend positief. Een verdere analyse dringt zich op en wordt hieronder weergegeven. Een grondige analyse van de 104 studies voor wat betreft de impact van onderzoekend leren op het aanleren van wetenschappelijke concepten werd uitgevoerd vanuit drie vraagstellingen: 1. Heeft de graad van onderzoekend leren (de mate van het in eigen handen nemen van het leerproces, actief denken en motivatie) een effect op het aanleren van wetenschappelijke concepten? Een analyse van alle studies toont aan dat er geen significant verband is tussen de gradatie van onderzoekend leren en het beter leren van wetenschappelijke concepten. Men heeft echter in de review ook specifiek gekeken naar de vergelijkende interventiestudies waarbij de aanpak in de interventies verschilde voor wat betreft de gradatie van onderzoekend leren. Hier ging het over 42 studies. Men kon dan wel vaststellen dat in de gevallen waarbij er een hogere graad van onderzoekend leren aanwezig was (23 van de 42 studies, of 55%), de leerlingen significant beter presteerden voor wat betreft het aanleren van wetenschappelijke concepten. Vanuit de resultaten blijkt dat er een significante verhoging is voor wat betreft het leren van wetenschappelijke concepten wanneer de leerlingen meer verantwoordelijkheid krijgen tijdens het leerproces. Zo werd er bijvoorbeeld aangetoond dat het werken in groep waarbij overleg tussen de leerlingen

19 44 leren is onderzoeken centraal staat een positief effect heeft op het aanleren van wetenschappelijke concepten. Hier gaan we in 5.2 dieper op in. 2. Heeft één van de elementen afzonderlijk (de mate van eigen leerproces in handen nemen, actief denken en motivatie) een effect op het aanleren van wetenschappelijke concepten? Men vindt een significant effect van onderzoekend leren op het aanleren van wetenschappelijke concepten wanneer de klemtoon komt te liggen op activiteiten die kinderen aanzetten tot actief denken. Voorts gaat men in de review ook na wat het effect is van actief handelen tijdens de activiteiten. Men spreekt in deze context van hands-on activiteiten. Er waren zes studies die zich focusten op dit aspect van onderzoekend leren. Vijf van de zes studies toonden een statistisch significante verbetering aan voor wat betreft het aanleren van concepten als er hands-on activiteiten werden toegepast. Men stelt hierbij wel dat enkel het implementeren van handson activiteiten niet voldoende is om cognitief conflict (conceptual change) te bewerkstelligen. Bij cognitief conflict zal de nieuwe kennis als het ware botsen met de oude kennis om nieuwe inzichten bij leerlingen tot stand te brengen (zie verder 4.6.2). Leerlingen moeten de kans krijgen om te redeneren en te discussiëren over datgene wat ze waargenomen hebben en hierdoor is de kans groter dat de nieuwe kennis ontstaat. 3. Heeft één van de afzonderlijke componenten van de onderzoekscyclus (het stellen van onderzoeksvragen, het formuleren van voorspellingen/ hypothesen, het opstellen en uitvoeren van een experiment, data verzamelen vanuit waarneming, conclusies formuleren, en communiceren) een effect op het aanleren van wetenschappelijke concepten? Hierbij vindt men een significant effect voor de component conclusies formuleren en communiceren. Actieve constructie van kennis is nodig om tot Het effect van onderzoekend begrijpen te komen. Bij onderzoekend leren leren op het leerresultaat bij vindt deze actieve constructie plaats via de kinderen in het basisonderwijs is in deze studie dus niet onderzoekscyclus en de kennis die verworven wordt, zijn de wetenschappelijke concepten. extreem groot. Slechts 51% van de 138 studies toonden een positieve impact van onderzoekend leren op het aanleren en onthouden van wetenschappelijke kennis bij kinderen. Maar er is wel een duidelijke en consistente trend die aangeeft dat het begeleiden van leerlingen binnen het onderzoeksproces (bv. aan de hand van de onderzoekscyclus: met name het genereren van onderzoekbare vragen, het formuleren van voorspellingen/hypothesen, het opstellen en uitvoeren van wetenschappelijke

20 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 45 experimenten, het genereren van data, het formuleren van conclusies en het communiceren) mogelijkheden schept tot het in handen nemen van het eigen leerproces en het actief denken bij kinderen. De bevindingen geven immers aan dat werkvormen waarbij leerlingen gestimuleerd worden tot actief denken en handelen (door middel van hands-on activiteiten) en het participeren in het onderzoeksproces een positief effect hebben op het leren van wetenschappelijke concepten. Deze bevindingen zijn overeenkomstig met de constructivistische leertheorie: actieve constructie van kennis is nodig om tot begrijpen te komen. In het geval van het onderzoekend leren vindt deze actieve constructie plaats via de onderzoekscyclus (wetenschappelijke denkcirkel) en de kennis die verworven wordt zijn de wetenschappelijke concepten. Toch vinden we hieromtrent tegenstrijdigheden in de literatuur. In de onderzoeken van Klahr (Klahr & Chen, 1999); (Klahr & Nigham, 2004) wordt het constructivistische idee dat onderzoekend leren, in contrast met directe instructie, de beste manier is om tot leren van wetenschappelijke concepten en strategieën te komen, in vraag gesteld. De studies van Klahr focussen evenwel minder op het aanleren van wetenschappelijke concepten, maar eerder op het aanleren van een specifieke wetenschappelijke strategie, nl. de control of variables (COV) strategie (zie verder bij 4.6.1). Concreet komt het erop neer dat kinderen leren om wetenschappelijk verantwoorde onderzoeken op te stellen waarbij het onderling verband tussen variabelen wordt onderzocht. Voorbeeld: Heeft de hoeveelheid meststoffen een invloed op de groei van een plant? Hierbij zal in de proefopstelling enkel de hoeveelheid meststoffen gevarieerd mogen worden om het effect op de groei van een plant te onderzoeken. Andere variabelen zoals de hoeveelheid licht, de hoeveelheid water en het soort plant moeten constant worden gehouden. In het onderzoek van Klahr & Nigham (2004) werd dezelfde leerstof behandeld in een interventie waarbij een open vorm van onderzoekend leren (ontdekkend leren) centraal staat en een interventie waarbij directe instructie centraal staat. De kinderen werd gevraagd om de invloed van een aantal variabelen te onderzoeken op het rollen van een bal van een helling. Zo moesten ze experimenten opzetten om vast te stellen wat het effect is van de hellingsgraad van de helling op het rollen van de bal en experimenten om vast te stellen wat het effect is van de lengte van de helling op de afstand die de bal zal rollen.

21 46 leren is onderzoeken Het grote verschil tussen de beide interventies in de studie kunnen we als volgt beschrijven. Bij directe instructie gaf de leerkracht goede en slechte voorbeelden van de COV-strategie, waarbij hij of zij ook uitlegde wat de verschillen waren en hoe de COV-strategie werkt. Bij ontdekkend leren werden geen voorbeelden gegeven. De kinderen moesten zelf aan de hand van het materiaal ontdekken hoe ze precies het experiment moesten opstellen. Het verschil tussen beide interventies heeft dus niets te maken met actief of passief. Bij de beide instructievormen gaan kinderen actief aan de slag met de materialen. Uit de resultaten blijkt dat directe instructie een efficiëntere methode is om de COV-strategie aan te leren. 37% van de kinderen in de interventie met directe instructie kon de COV-strategie toepassen in een posttest, terwijl slechts 23% dat kon voor ontdekkend leren. Het onderzoek toonde wel aan dat eenmaal de kinderen de theorie onder de knie hadden (onafhankelijk van het feit of dat nu via directe instructie of ontdekkend leren was), ze die theorie konden transfereren naar een andere context. Dat gebeurde bijvoorbeeld bij het evalueren van onderzoeken voorgesteld op posters, waarbij de vraag werd gesteld of het voorgestelde onderzoek een goed of een slecht onderzoek was. Gelijkaardige onderzoeken zijn ook uitgevoerd waarbij de benadering van onderzoekend leren minder extreem was dan in het bovengenoemde voorbeeld. Bij deze onderzoeken werden er wel gerichte vragen gesteld door de leerkracht tijdens het leerproces en werd de uitvoering van het onderzoek ondersteund door de leerkracht (Dejonckheere, Van de Keere, & Mestdagh, 2009); (Dejonckheere, Van de Keere, & Tallir, 2011); (Kuhn & Dean, 2005). Die studies focusten op het effect van metacognitieve ondersteuning door de leerkracht bij het aanleren van wetenschappelijke strategieën zoals de COV-strategie en gaven hierbij positieve resultaten voor onderzoekend leren (zie verder 5.1). Maar volgens Klahr, Zimmerman, & Jirout (2011) duurt het veel langer om de kennis aan te brengen en levert het geen meerwaarde wanneer de kennis moet getransfereerd worden naar een nieuwe context. Volgens Kuhn & Dean (2005) loont deze arbeidsintensieve aanpak toch omdat ze bijdraagt tot het stimuleren van metacognitieve vaardigheden en een diepgaander leren, wat ze strategisch leren noemen. Onderzoekend leren is immers een complexe activiteit en is meer dan enkel het toepassen van één strategie. Kinderen moeten de volledige onderzoekscyclus doorlopen en worden best vanuit een probleemstelling aangezet tot probleemoplossend denken en handelen. Ze moeten zelf kunnen beslissen welke

22 hoofdstuk 4 onderzoekend leren als norm? 47 strategie ze moeten toepassen om de vraag op te lossen, en dan is een vorm van onderzoekend leren volgens Kuhn & Dean (2005) meer op zijn plaats dan directe instructie. Onderzoekend lesgeven verwijst naar het creëren van een leeromgeving waarbij kinderen de mogelijkheid krijgen om via procesgeoriënteerde werkvormen vragen te stellen, oplossingen te formuleren en via experimenten hypotheses te testen. De essentie van het lesgeven binnen onderzoekend leren kunnen we als volgt samenvatten: onderzoekend lesgeven verwijst naar het creëren van een leeromgeving waarbij kinderen de mogelijkheid krijgen om via procesgeoriënteerde werkvormen vragen te stellen, oplossingen te formuleren en via experimenten hypotheses te testen. De rol van de leerkracht is om de kinderen met problemen te confronteren die hen aanzetten tot actief denken en handelen. De leerkracht zal de kinderen dan begeleiden tijdens de activiteiten en gepast reageren op de acties van leerlingen (Van de Keere, Mestdagh, Dejonckheere, & Lecluyse, 2009). In een authentieke onderzoeksactiviteit doet de leerkracht dan gewoonlijk het volgende (Leonard & Penick, 2009): Een veilige, stimulerende omgeving creëren waar leerlingen zich vrij voelen om te exploreren, te onderzoeken, vragen te stellen en te communiceren. Vragen stellen die aanzetten tot actief denken, het geven van overdachte antwoorden of acties van de kinderen. Luisteren naar wat kinderen zeggen en met hen op zo n manier communiceren dat ze aangemoedigd worden tot het onderzoeken van hun ideeën, vragen of veronderstellingen. Wetenschappelijke probleemstellingen aanbieden die kunnen leiden tot onderzoekbare vragen en die bijgevolg aanzetten tot gericht onderzoek. Een klasomgeving ontwikkelen waarin het mogelijk is voor leerlingen om te onderzoeken en om samen te werken. Op (vak wereldoriëntatie dagelijkse inname voor de praktijk) zijn voorbeelden van onderzoeksactiviteiten te vinden waarbij de begeleider door middel van vraagstelling kinderen aanzet tot actief denken en waarbij probleemstellingen aangeboden worden die aanzetten tot gericht onderzoek (superbellen en helling). Er wordt ook aangegeven hoe klassieke experimenten ter demonstratie van concepten, zoals zwaartekracht, of proefjes met een groot wowgehalte, zoals het lanceren van een raket, het vertrekpunt kunnen vormen voor onderzoekend leren vanuit probleemstellingen (parachute en raket).

23 48 leren is onderzoeken In de literatuur zijn heel wat didactische modellen terug te vinden die tot doel hebben een handleiding te bieden voor de leerkracht om kinderen doorheen het onderzoeksproces te begeleiden. De volgende bronnen kunnen richtinggevend zijn bij een verdere studie: info, Uit onderzoek blijkt dat het effect van de graad van onderzoekend leren op het aanleren van wetenschappelijke inhouden niet extreem groot is. Het is zelfs zo dat er goede resultaten worden bekomen wanneer via directe instructie bepaalde onderzoeksvaardigheden zoals het leren hanteren en controleren van variabelen aangeleerd worden. Er is wel een consistente trend in de literatuur die aangeeft dat activiteiten waarbij wetenschappelijke probleemstellingen opgelost moeten worden door middel van de onderzoekscyclus mogelijkheden scheppen tot het stimuleren van denkprocessen bij kinderen. Onderzoek toont aan dat het stimuleren van actief denken en het leggen van de klemtoon op het trekken van conclusies uit observaties in activiteiten belangrijke voorspellers zijn voor wat betreft het begrijpen en leren over wetenschappelijke concepten bij de kinderen. Over het algemeen kan men stellen dat hands-on activiteiten belangrijk zijn bij wetenschapsactiviteiten, op voorwaarde dat de leerkracht de kinderen uitdaagt om de verkregen resultaten vanuit de activiteit te interpreteren en hierover te discussiëren. 4.6 Aandachtspunten bij onderzoekend leren Hieronder gaan we dieper in op een aantal specifieke elementen die als aandachtspunten gezien kunnen worden binnen de didactiek van het onderzoekend leren. Vanuit de geformuleerde praktijkvoorbeelden wordt tevens aangetoond waar zich problemen kunnen voordoen binnen deze aandachtspunten.