Modelleren en visualiseren

Transcriptie

1 Modelleren en visualiseren Naam auteur(s) Vakgebied Titel Onderwerp Opleiding Doelgroep Sleuteltermen Dr. W. Weymiens (Wolf) Natuurkunde Modelleren en visualiseren Modelleren en voorkennis Interfacultaire Lerarenopleidingen, Universiteit van Amsterdam 4 vwo Modelleren, experimenteren, motivatie, nut. Links Bibliografische referentie Weymiens, W. (2015). Experimenteren & visualiseren. Amsterdam: Interfacultaire Lerarenopleidingen UvA. Studentnummer Begeleider(s) Beoordelaar(s) Datum Dr. P.H.M. Uylings (Peter) Dr. P.H.M. Uylings (Peter) Dr. E. Joling (Erik) Datum van afronding werkstuk 1

2 OntwerpOnderzoek: paper 5 Inhoudsopgave pagina 1. Samenvatting paper Onderzoeksresultaten 4 3. Conclusies en discussie Herontwerp 6 5. Terugblik 7 6. Bijlage 1: leerlingresultaten 8 7. Bijlage 2: resultaten gesorteerd op leergedrag 9 2

3 Samenvatting paper 1 De lessenserie beschreven in deze paper is een uitwerking van een ontwerponderzoek op basis van de volgende ontwerphypothese: Als de leerlingen de modelleeropdracht beginnen met het activeren van de bestaande kennis omtrent het te modelleren fenomeen door middel van een (realistische of schematische) tekening van de relevante variabelen dan zijn de leerlingen beter in staat om de link te leggen tussen het model en de werkelijkheid, zien ze het model minder als een black-box en begrijpen ze beter het nut van het modelleren. De ontwerpregels zijn verdeeld in twee categorieën. Twee ontwerpregels 12 voor de lessen en vier ontwerpregels 3456 voor het onderzoek. De lessen bestaan voornamelijk uit een introductie van het modelleren en het oefenen met modelleren. Daarbij worden zij er steeds op gewezen dat ze vooraf een schets/tekening moeten maken van de situatie met alle relevante variabelen. Het onderzoek is gericht op het verschil in prestatie tussen een klas waarbij het maken van tekeningen wel gebruikt wordt en eentje waarbij het modelleren op de traditionele manier wordt aangeleerd. Daarbij wordt het leergedrag (wel of niet een tekening) gecheckt door middel van het inleveren van de opdrachten. 1 Als ik wil dat de leerlingen niet vastlopen met de modelleersoftware moet ik er voor zorgen dat ze een duidelijke en gestructureerde handleiding met bijbehorende instructie krijgen. 2 Als ik wil dat de leerlingen de link leggen tussen het model en de werkelijkheid (en dus beter het nut van modelleren begrijpen) zullen ze eerst hun voorkennis over het te bestuderen fenomeen gestructureerd op papier moeten zetten met behulp van een tekening. 3 Bij dit onderzoek vergelijk ik de resultaten van een klas waarbij ik veel aandacht besteed aan het maken van tekeningen van de betreffende situatie met een klas waarbij er op de traditionele manier het modelleren wordt bijgebracht. 4 Dit onderzoek betreft alleen een vergelijkende nameting aangezien er nog geen enkele ervaring is bij de betreffende leerlingen met betrekking tot de vaardigheid van modelleren. 5 Bij deze nameting worden beide klassen getest doormiddel van dezelfde modelleeropdracht. De verwachting is dat de klas met de tekeningen voor deze opdracht significant hogere cijfers haalt. 6 Het leergedrag (het maken van de tekening) wordt gecheckt doordat alle oefenopgaves en eindopdracht inclusief tekening moeten worden ingeleverd. 3

4 Onderzoeksresultaten Leerresultaat In bijlage 1 zijn de cijfers van de onderzochte groep en de controlegroep weergegeven. De klas die de lessenserie heeft mogen volgen is de kolom waar de stamnummers bij staan, zodat ik de cijfers per leerling aan het leergedrag kan koppelen. Per klas zijn de volgende gemiddelde resultaten behaald: Aantal leerlingen gemiddelde steekproefvariantie Klas met lessenserie Klas zonder lessenserie De t-waarde wordt dan op de volgende manier bepaald: t = (x 1 x 2) ( (n 1 1)s (n 2 1)s 2 2 ) ( ) n 1 + n 2 2 n 1 n 2 Waarbij, het gemiddeld van groep 1 is x 1 = en het gemiddelde van groep 2 is x 2 = De standaarddeviaties zijn in het geval van een steekproef de steekproefvarianties; van groep 1: s 1 2 = en groep 2: s 2 2 = De aantallen van onderzoeksobjecten zijn voor de twee groepen als volgt bepaald: n 1 = 25 en n 2 = 28. Dit alles bij elkaar levert een t-waarde op van: t = De kritische waarde voor deze steekproef, met α = 5%, is De t-waarde ligt dus net onder de kritische waarde, wat betekend dat er geen significant verschil is tussen de twee klassen. De betere resultaten van de groep met de lessenserie kunnen dus puur en alleen door toeval veroorzaakt worden en zeggen dus niets over de kwaliteit van de lessenserie. Leergedrag In tegenstelling tot mijn hoop hebben niet alle leerlingen die de lessenserie gevolgd hebben ook daadwerkelijk gebruik gemaakt van een tekening om hun modelleerproces richting te geven tijdens de eindopdracht. 76% van de leerlingen heeft wel iets van een tekening gemaakt, maar wel van erg wisselende kwaliteit. Tijdens de lessen was mij al opgevallen dat veel leerlingen schematische tekeningen maakten die erg leken op de coach-modelleeromgeving. Dit zie ik ook terug in de geproduceerde tekeningen tijdens de eindopdracht (zie bijlage 2). Soort tekening percentage leerlingen Gemiddelde cijfer geen 24 % 5.13 schematisch 52 % 7.18 realistisch 24 % 7.48 Helaas is de groep niet groot genoeg om statistisch verantwoorde significante verschillen tussen deze subgroepen te vinden. 4

5 Conclusies en discussie Leerresultaat en leergedrag De ontworpen lessenserie zorgt niet voor een significante verbetering van de leerresultaten. De lessenserie zou daarvoor nog iets verbeterd moeten worden. Voornamelijk op het beïnvloeden van het leergedrag valt er wat te winnen. Er zijn namelijk tekenen te vinden dat de leerlingen die tekeningen maken hogere cijfers halen. Daarnaast halen de realistische tekeningen gemiddeld net iets hoger dan de schematische tekeningen. Deze verschillen zijn echter niet significant vanwege de kleine groep en kunnen dus ook door toeval zo ontstaan zijn. Het geeft echter wel een hint over de mogelijke succes van een iets betere lessenserie toegepast op een grotere groep. Vanwege de tegenvallende leerresultaten van de leerlingen die niet het gewenste leergedrag hebben vertoond verwacht ik dat er wat te winnen valt door een concretere uitwerking van ontwerpregel 2. Hoogstwaarschijnlijk is de eerste modelleeropdracht over de populatie van Amsterdam de oorzaak van de vele schematische tekeningen die ik nadien gezien heb. Alhoewel er geen enorme verschillen te zien zijn in de resultaten tussen de schematische en de realistische tekeningen is deze stap wel essentieel om beter de link te leggen met de werkelijkheid en daardoor het nut nog van modelleren nog beter te begrijpen. Dit beoogde doel is gezien de tekeningen bij 76% van de leerlingen niet behaald. Een veel grotere winst valt er te behalen bij de leerlingen die helemaal geen tekening maakten. Hun resultaten liggen flink lager dan gemiddeld. Het moet voor hen dus nog duidelijker worden wat het nut is van het maken van een tekening. Je kunt ze natuurlijk ook dwingen om een tekening te maken, maar daar haal je niet het beoogde resultaat mee. Het was namelijk het doel om de leerlingen de link te laten leggen tussen het computermodel en de werkelijkheid, zodat ze beter zouden worden in modelleren. Deze link zullen de leerlingen zelf moeten leggen, het maken van een tekening is daarbij alleen een hulpmiddel. Het heeft dus geen zin om het maken van een tekening af te dwingen, omdat hierdoor de gewenste link niet gelegd wordt. Daarnaast is het wel ietwat zorgwekkend dat het gemiddelde van de groep die geen tekening maakte ook een stuk lager ligt dan het gemiddelde van de controlegroep die ook geen tekeningen maakte. Hieruit zou je kunnen concluderen dat de lessenserie de kwaliteit van het basisniveau van modelleren verminderd, maar dit compenseert door het betere inzicht vanwege de tekeningen (het totale gemiddeld ligt namelijk wel hoger). Dit zou veroorzaakt kunnen worden door de kortere tijd die we aan het modelleren zelf besteed hebben, omdat we tijd hebben vrijgemaakt voor het maken van de tekeningen. Als deze vrijgemaakte tijd daarna niet wordt omgezet in een nuttige vaardigheid dan is er dus tijd verloren gegaan en is het niveau van modelleren gedaald. Echter zou dit natuurlijk ook gewoon toeval kunnen zijn, omdat het geen significante verschillen zijn. Ontwerpregel 1 gaf het nut aan van een duidelijke handleiding, zodat leerlingen niet vastlopen in technische moeilijkheden en altijd verder kunnen. Ik kan het moeilijk vergelijken met andere klassen of andere jaren, maar het aantal vragen over modelleer-technische onmogelijkheden viel me mee. Er valt wel nog wat te verbeteren aan de handleiding op zichzelf, zodat het nog iets overzichtelijker wordt. Daarnaast valt er ook wel wat te winnen in de aandacht voor deze 5

6 handleiding. Dus een duidelijkere uitleg van hoe je de handleiding moet gebruiken en minder vaak vragen beantwoorden waarvan de antwoorden ook te vinden zijn in de handleiding. De conclusie is dat we niet hebben kunnen bewijzen dat de lessenserie het beoogde effect (als ze beginnen met het activeren van de voorkennis door middel van een tekening, dan zien ze beter het nut en de relevantie van het computermodel en gaan dus beter modelleren) veroorzaakt, maar het onderzoek geeft wel voldoende aanknopingspunten zodat dit in de toekomst wel gerealiseerd kan worden. Herontwerp Zoals hiervoor aangegeven zijn er geen aantoonbare negatieve gevolgen van de misschien niet volledig optimale handleiding. Echter is mijns inziens de handleiding voor verbetering vatbaar. Een simpele en concrete verbetering valt te maken in de overzichtelijkheid van de handleiding. Alle voetnoten moeten doorgeschoven worden naar de achterzijde van de handleiding. Hierdoor komt de overzichtstabel duidelijker in beeld en is er minder afleiding van onnodige informatie op de voorzijde. Het is namelijk de bedoeling dat ze steeds weer naar die tabel kijken om ideeën te krijgen over welke opties ze zouden kunnen gebruiken. Als ze dan extra informatie nodig hebben over die optie zullen ze vanzelf bij de betreffende voetnoot gaan kijken. Nu is de handleiding een te overweldigende brei aan informatie waardoor ze vaak niet eens weten waar te beginnen met lezen. Ondanks het feit dat de opdracht over de populatie van Amsterdam een duidelijke en doenbare beginopdracht is, zorgt deze er wel voor dat het maken van een realistische tekening niet helemaal uit de verf komt in de daarop volgende opdrachten. Als de eerste opdracht ook over een beweging onder invloed van krachten gaat, dan is het een stuk duidelijker waarom het nuttig is om een realistische tekening te maken. Een bijkomend voordeel is dat er wat meer aandacht besteed kan worden aan de structuur van een model van een beweging. De structuur waarin de afstand, de snelheid en de versnelling van elkaar afhangen is namelijk voor iedere beweging hetzelfde, het verschil zit hem alleen in het construeren van de resultante kracht (en hiervoor is de tekening dus zo ontzettend handig). De manier waarop het onderzoek naar de effecten van de lessenserie is uitgevoerd is doeltreffend voor de evaluatie van de lessenserie. Hieraan zou ik niets veranderen. Mogelijke uitbreidingen aan het onderzoek kunnen eventueel wel erg interessant zijn. Door middel van enkele interviews kan nagegaan worden of de leerlingen inderdaad zelfstandig met behulp van de handleiding aan de slag kunnen en op welke manier ze de handleiding gebruiken. Daarnaast kan in het interview nagegaan worden of de leerlingen daadwerkelijk een duidelijke link leggen met de werkelijkheid en daardoor het nut en de relevantie van het modelleren inzien. 6

7 Terugblik Bijdrage aan de vakdidactische theorie. Dit onderzoek heeft geen bijdrage kunnen leveren aan de vakdidactische theorie. Het onderzoek heeft wel bevestigd dat er mogelijkheden liggen in deze manier van aanpak, maar heeft geen significante resultaten opgeleverd. Het heeft dus de theorie ook niet onderuit gehaald. Hierdoor zal er dus ook niets veranderen aan het beeld dat in de literatuur geschetst wordt over het modelleeronderwijs. Wat heeft het mij opgeleverd. Het heeft mij een interessante lessenserie opgeleverd die ik zeker de komende jaren ga gebruiken nadat ik de voorgenomen verbeteringen heb doorgevoerd zoals besproken onder Herontwerp. Hierdoor kan ik ook concreet aan de slag met een vervolg lessenserie voor vwo 5 waarbij het interpreteren van een bestaand model meer centraal moet komen te staan, omdat dat op het eindexamen verwacht wordt. 7

8 Bijlage 1: leerlingresultaten van de eindopdracht Stamnr tekening cijfers afwijkingen van gemiddelde cijfers afwijkingen van gemiddelde 4337 schemtatisch 8,8 2,036 4,3-1, realistisch 7,1 0,336 7,4 1, schematisch 6-0,764 7,7 1, schematisch 4,8-1,964 7,8 1, schematisch 7,8 1,036 5,4-0, schematisch 6,6-0,164 6,6 0, geen 3-3,764 6,7 0, realistisch 7,4 0,636 5,6-0, schematisch 6,9 0,136 5,8-0, schematisch 7,4 0,636 8,5 2, realistisch 5,3-1,464 6,4 0, realistisch 6,8 0,036 2,8-3, geen 1,5-5,264 6,8 0, realistisch 9,8 3,036 7,7 1, realistisch 8,5 1,736 4,3-1, schemtatisch 6,5-0,264 6,5 0, schematisch 8,9 2,136 6,9 0, geen 5,4-1,364 8,6 2, schematisch 7,3 0, , geen 6,6-0,164 2,3-3, schematisch 6,4-0,364 5,4-0, geen 8 1, , geen 6,3-0,464 7,1 0, schematisch 7,9 1,136 4,8-1, schematisch 8,1 1,336 6,8 0, ,825 5,5-0,675 6,2 0,025 gemiddelde 6,764 6,175 kwadraten som 78, ,0525 steekproefvariantie 1, , T-waarde 1,

9 Bijlage 2: resultaten gesorteerd op leergedrag tekening geen schematisch realistisch 3 8,8 7,1 1,5 6 7,4 5,4 4,8 5,3 6,6 7,8 6,8 8 6,6 9,8 6,3 6,9 8,5 7,4 6,5 8,9 7,3 6,4 7,9 8,1 gemiddelde 5, , ,