EXPlainistry

EXPlainistry (“experiments explained in chemistry) is een leermethode die de drie verwerkingsniveaus uit de chemie samenbrengt met behulp van ICT en focust vooral op het submicroscopisch niveau. Uit de literatuurstudie bleek reeds dat leerlingen de meeste moeilijkheden hebben om het symbolische en het macroscopische verwerkingsniveau te linken aan dit submicroscopisch niveau (‘heen-en-weer denken’). De procedure die gebruikt wordt in EXPlainistry wordt voorgesteld in figuur 15. [3, 18] Er wordt veel aandacht besteed aan stap 3, namelijk het visualiseren van het experiment op submicroscopisch niveau. Het is cruciaal dat leerlingen zelf visualisaties maken va wat er gebeurt op moleculair niveau en dat het niet alleen de leerkracht is die demovoorbeelden toont.

Figuur 16: Procedure van de EXPlainistry methode [18]

Het tot leven brengen van processen op moleculair niveau is de grootste toegevoegde waarde van EXPlainistry, waarbij ICT kan helpen om nieuwe dimensies van animatie en visualisatie te openen. Elektronen/protonentransferreacties zijn moeilijk te visualiseren op een klasbord, terwijl dit wel op een dynamische manier gevisualiseerd kan worden met gratis apps zoals Keynote (IOS) of Powerpoint. Betalende apps zoals “Explain everything” kunnen worden gebruikt om animaties te maken via een interactief bord. Een voorbeeld van het gebruik van zo een app wordt afgebeeld op figuur 17.

46

Figuur 17: Gebruik visualisatie apps door leerkrachten [18]

De leerlingen en/of de leerkracht kunnen ook Stop-motion video’s maken (figuur 18), wat eveneens een goede optie is om visualisaties van deze submicroscopische processen voor te stellen. [18]

Figuur 18: Visualisatie voor een stopmotion video [18]

7.2 Meerdere representaties

Meerdere representaties in Web-based learning is een lessenreeks over chemische concepten die start vanuit de leefwereld van de leerlingen via een experiment. Vervolgens worden gerichte vragen gesteld om verbanden te leggen tussen de drie verschillende verwerkingsniveaus. Tijdens deze lessenreeks wordt via animaties gefocust op het submicroscopisch niveau. De leerlingen worden verplicht eerst eigen representaties te maken en deze vervolgens te vergelijken met medestudenten en eventueel bij te sturen. (figuur 19 links) Tot slot wordt via directe instructie uitleg gegeven over de leerstof en maken de leerlingen een nieuwe visualisatie. (figuur 19 rechts) Hun leerproces wordt continu bijgestuurd tot de juiste representatie in hun kortetermijngeheugen wordt opgeslagen. [6, 19]

47

Figuur 19: Tekeningen water in de verschillende aggregatietoestanden: voor instructie (links) en na instructie (rechts) [6]

M. Stieff en C. Ryan van de universiteit van Illinois-Chicago analyseerden tekeningen, schriftelijke verklaringen en symbolische notaties van 36 studenten die leerden over chemische reactiviteit. Hun analyse toont aan dat tekeningen van leerlingen de leerkracht een beter beeld geven over de kennis van de leerling. Zij raden aan om bij evaluaties ook vragen te stellen waarin studenten zowel getekende representaties, de symbolische notatie en de schriftelijke/mondelinge uitleg moeten geven. De leerling zal dus meerdere representaties moeten geven, zodat de leerkracht een volledig beeld heeft van de kennis van de student. [20]

48

Besluit

Deze thesis gaat over misconcepten in de chemie, specifiek over het onderdeel “oplossen van stoffen in water”. In dit onderzoek zijn een aantal van deze misconcepties in kaart gebracht via een literatuurstudie. Deze misconcepties werden in één van de volgende categorieën ingedeeld: Opbouw van de materie, de rol van water bij het oplosproces, notatiefouten en polariteit.

Om een beeld te krijgen van welke fouten worden gemaakt in Vlaanderen, is een kwalitatieve foutenanalyse uitgevoerd op toetsen en examens van vier klasgroepen uit het 4de _{jaar secundair onderwijs} (schooljaar 2018-2019) uit het IVG-Gent (GO! Onderwijs Vlaanderen) en het Don Boscocollege Zwijnaarde (KOV).

Uit deze foutenanalyse blijkt dat Vlaamse leerlingen uit de tweede graad ASO soortgelijke misconcepten vertonen als deze besproken in de literatuurstudie. Tussen de klasgroepen waren er verschillen aan te merken in de frequentie van de fouten, maar de fouten waren aanwezig bij alle klasgroepen. Enkele voorbeelden van veelvoorkomende misconcepten uit dit onderzoek worden hieronder opgesomd:

De ENW is het uitwisselen van elektronen , atomen/ionen/moleculen en deeltjes worden door elkaar gebruikt, er wordt geen onderscheid gemaakt tussen de structuur van een ionverbinding en een molecule, ladingsfouten (grootte van de lading of ladingen niet genoteerd) bij het uitschrijven van dissociatie- en ionisatievergelijkingen, het δ-symbool noteren bij een gehydrateerd kation, intermoleculaire bindingen zijn hetzelfde als intramoleculaire bindingen,… Veel van deze misconcepten houden verband met een verkeerd inzicht in de opbouw van de materie, waarbij leerlingen in bepaalde contexten geen onderscheid maken tussen ionverbindingen en moleculen.

Deze misconcepten ontstaan wanneer leerlingen geen linken kunnen leggen tussen de verschillende verwerkingsniveaus (macroscopisch, submicroscopisch en formalistisch). Uit de foutenanalyse blijkt dat de oorzaak vaak ligt bij het submicroscopisch niveau. Deze conclusie wordt vaak teruggevonden in de literatuur.

Om deze misconcepten weg te werken zijn er bepaalde suggesties gedaan die kunnen worden toegepast tijdens het lesgeven, bijvoorbeeld EXPlainistry en meerdere representaties. Beide methodes vertrekken vanuit het macro-aspect om de voorkennis van de leerlingen te activeren. Vervolgens proberen de leerlingen dit macroscopisch verschijnsel te visualiseren op submicroscopisch niveau met behulp van grafische modellen en tekeningen. Tot slot wordt via instructie en overleg hun eigen visualisatie bijgestuurd. Er wordt gepleit om leerlingen ook te evalueren op getekende representaties om een totaalbeeld van de kennis van de leerling te verkrijgen.

49

Reflectie

Na het analyseren van de veelvoorkomende misconcepten, zijn er suggesties gedaan om deze misconcepten weg te werken. Leerkrachten moeten vooral meer focussen op het submicroscopisch niveau. Hieronder worden enkele de randvoorwaarden voor het Vlaams onderwijs gegeven:

 In Vlaanderen liggen de eindtermen vast en wegens tijdsgebrek hebben leerkrachten de tijd niet om aan alle niveaus evenveel tijd te besteden.

 Het voorbereiden van deze modellen is tijdsrovend voor leerkrachten, vooral als er weinig visualisaties zijn opgenomen in het leerwerkboek, handboek,…

- Als leerlingen zelf representaties moeten maken, moet de infrastructuur hiervoor aanwezig zijn. Zijn er voldoende computers, Ipads, smartphones,… beschikbaar?

- Is de leerkracht getraind in het gebruik van deze technologie?

Verder onderzoek

Dit onderzoek is een verkennend onderzoek en kan dienen als basis voor een volgend onderzoek. Een suggestie voor een volgend onderzoek is het volgende:

Er wordt een lessenreeks uitgewerkt dat focust op één van de misconcepten over het onderwerp: “oplosbaarheid van stoffen in water”. Deze lessenreeks maakt gebruik van meerdere representaties of de EXPlainistry methode, waarbij de focus ligt op het wegwerken van dit misconcept met behulp van representaties op het submicroscopisch niveau.

Vervolgens kunnen twee gelijkwaardige klasgroepen worden vergeleken. De ene klasgroep krijgt “traditioneel les” (zoals de voorgaande jaren) en de andere groep doorloopt de nieuwe lessenreeks. Nadien volgt een testmoment en uit deze resultaten zal men kunnen afleiden of de nieuwe lessenreeks geholpen heeft om dat misconcept te minimaliseren.

50

Referenties

1. Valcke, M., Krachtige leeromgevingen. 2019.

2. Barke, H.-D., A. Hazari, and S. Yitbarek, Misconceptions in Chemistry, in Addressing Perceptions in Chemical Education. 2009: Berlijn.

3. Vanhoe, H., Basismethodologie voor het aanleren van de chemische denkwijze. 2019, Universiteit Gent: Gent. p. 20.

4. Mellema, P., De ontwikkeling van het deeltjes model in de derde klas. 2007, Afdeling Technische Natuurwetenschappen Universiteit Twente. p. 29.

5. Brandt, L., et al., The impact of concept mapping and visualization on the learning of secondary school chemistry students. International Journal of Science Education, 2001. 23(12): p. 1303- 1313.

6. Vermaat, H., C. Terlouw, and S. Dijkstra, Multiple Representations in Web-based Learning of Chemistry Concepts. 2003, Universiteit Twente. p. 16.

7. De Gruijter, J., Verkeerd begrip in de chemische binding: Ionbinding. 2013, Fontis Lerarenopleiding Tilburg: Tilburg. p. 385-386.

8. Douglas, S.e.a., Chemistry 11: Teacer resource. 2010, McGraw-Hill Ryerson.

9. Irwanto, I. and A. Prodjosantoso, The Misconception Diagnosis on Ionic and Covalent Bonds Concepts with Three Tier Diagnostic Test. 2019. p. 1478-1488.

10. Reniers, A., ION GO! 3. 2017, Uitgeverij VAN IN: Wommelgem. p. 92-97.

11. Development, C.S. Chemical bonding: Common misconceptions of students. 1994 [cited 2020 08/08]; Available from: http://intro.chem.okstate.edu/ChemSource/Bond/bondpage35.html. 12. Gayle, N., A report of undergraduates bonding misconceptions. 2001, Texas Tech University,

Department of Chemistry and Biochemistry: International Journal of Science Education. 13. De Gruijter, J., Verkeerde concepten bij chemische binding: Intermoleculaire krachten. 2014,

Lerarenopleiding Tilburg: Tilburg. p. 3.

14. Izzati, S. and N. Rochmah, Analysis of Students Comprehension and Misconception towards the Topic of Salt Solubility. 2020, Department of Chemistry Education. p. 152-165.

15. Ebenezer, J., Students conceptions of solubility: A teacher-researcher collaborative study, in The faculty of graduate studies science education. 1991, University of Britisch Colombia. p. 262.

16. Naah, B.M. and M.J. Sanger, Student misconceptions in writing balanced equations for dissolving ionic compounds in water. Chemistry Education Research and Practice, 2012. 13(3): p. 186-194.

51 17. Taber, K.S., G. Tsaparlis, and C. Nakiboglu, Student Conceptions of Ionic Bonding: Patterns of thinking across three European contexts. International Journal of Science Education, 2012.

34(18): p. 2843-2873.

18. Seibert, J., C.W.M. Kay, and J. Huwer, EXPlainistry: Creating Documentation, Explanations, and Animated Visualizations of Chemistry Experiments Supported by Information and Communication Technology To Help School Students Understand Molecular-Level Interactions. Journal of Chemical Education, 2019. 96(11): p. 2503-2509.

19. Johnstone, A.H., Multiple Representations in Chemical Education. International Journal of Science Education, 2009. 31(16): p. 2271-2273.

20. Ryan, S. and M. Stieff, Drawing for Assessing Learning Outcomes in Chemistry. Journal of Chemical Education, 2019. 96(9): p. 1813-1820.

52

Bijlage A: Foutenanalyse

53

54

55

56

57

58

Bijlage B: Opbouw van het leermateriaal

Leerwerkboek ION 4.1 uitgeverij Van In (pg 67-89)

ISBN: 978 90 455 4412 0

1. Polaire en apolaire moleculen

 Elektronegativieit (interpreteren PSE, berekenen ΔEN binding bepalen)  Polariteit van een binding (lewisnotatie, partiële ladingen)

 Bouw van een watermolecule  Bouw van methaan/pentaan

 Polariteit moleculen bepalen aan de hand van de geometrische structuur (polaire/apolaire covalente binding)

2. Oplosbaarheid en polariteit  Intermoleculaire krachten  Likes likes principe

3. Geleidingsvermogen van stoffen en oplossingen  Geleiders elektrische stroom (demo experiment)  Ionverbinding, polaire of apolaire covalente binding  Elektrolyt/ niet-elektrolyt

3.1 Zouten en hydroxiden

 Ionrooster, dissociatie, hydratatie, dissociatievergelijking 3.2 Zuren en ammoniak

59

Leerwerkboek ION 4.2 uitgeverij De Boeck (pg 97-130)

ISBN: 978 90 455 4414 4

1. Polaire en apolaire moleculen

 Elektronegativieit (interpreteren PSE, berekenen ΔEN binding bepalen)  Polariteit van een binding (lewisnotatie, partiële ladingen)

 Bouw van een watermolecule  Bouw van methaan/pentaan

 Polariteit moleculen bepalen aan de hand van de geometrische structuur (polaire/apolaire covalente binding)

2. Intermoleculaire krachten

 Aggregatietoestand bij kamertemperatuur, kookpunt en MM linken aan aard van de stof.  Apolaire moleculen (dispersiekrachten of VDW krachten of londonkrachten)

 Polaire moleculen (Dipoolkrachten of elektrostatische aantrekkingskracht)  Water (waterstofbruggen)

3. Oplosbaarheid en polariteit

 Intermoleculaire krachten bepalen oplosbaarheid.  Likes likes principe

4. Geleidingsvermogen van stoffen en oplossingen  Geleiders elektrische stroom (demo experiment)  Ionverbinding, polaire of apolaire covalente binding  Elektrolyt/ niet-elektrolyt

4.1 Zouten en hydroxiden

 ionrooster, dissociatie, hydratatie, dissociatievergelijking 4.2 Zuren en ammoniak

 Ionisatie, ionisatievergelijking, oxoniumion  Extra: Stapsgewijze ionisatie via H2SO4 4.3 Ethanol en suiker

 Oplossen zonder ionisatie.

60

Invulcursus Chemie 4

de

_{jaar (sport)wetenschappen Don Bosco Zwijnaarde (M. Pottie)}

Herhaling atomen en moleculen

De chemische binding

 Covalente binding  Ionbinding  Metaalbinding

1. Gedrag van stoffen in water

 Water als polair oplosmiddel  Polaire en apolaire stoffen

 Practicum Molecuulmodel van polaire stoffen  Waterstofbruggen

 Factoren die de oplosbaarheid van stoffen in water beïnvloedden  Werking van zeep

 Het oplossen van elektrolyten in water  Oplossen van ionverbindingen in water  Oplossen van covalente bindingen in water 2.2 De zuren (p18-32)

 Elektrolyten

 Ionisatiereacties van zuren in water  Stapsgewijze ionisatie 2.3 De hydroxidebasen (p33-40)  Dissociatievergelijking  Elektrolyten  Hydroxide-ion  Ammoniak  Ionrooster  Aggregatietoestand en smelttemperatuur. 2.4 De zouten (p41-51)  Elektrische geleidbaarheid  Dissociatievergelijking

61  Fysische eigenschappen (aggregatietoestand, smelttemperatuur)

 Oplosbaarheid in water (dissociatie gevolgd door hydratatie)  Vorming van zouten (neutralisatiereactie, gasvormingsreactie) 3.2 De alkanolen of alcoholen

 Fysische eigenschappen methanol en ethanol  Cohesiekrachten

 Partiële ladingen bij verklaren waterstofbruggen  Polair en apolair (alkanen <-> alcoholen) 3.3 De Carbonzuren of alkaanzuren

 Fysische eigenschappen (smeltpunt en kookpunt)  Oplosbaarheid azijnzuur verklaren via partiële ladingen  Apolair en apolair gedeelte carbonzuur

In document Bestaande misconcepten rond oplosbaarheid in water bij leerlingen uit de tweede graad ASO in Vlaanderen (pagina 45-61)