Molenaar, Stef, Educatief Ontwerpen, Scheikunde

(1)

Interfacultaire Lerarenopleidingen

Schoolvak: Scheikunde

Prototype

Analytische scheikunde 5 VWO

door

Stef R.A. Molenaar

6048862

Januari 2019

9 EC

Vakdidacticus:

Dr. Erik Joling

Referentie: Molenaar, S.R.A. (2019). Analytische scheikunde 5 VWO. Amsterdam: Interfacultaire Lerarenopleidingen UvA

Universiteit van Amsterdam Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) Roeterseilandcampus – gebouw B/C/D (ingang D)

(2)

Prototype: Analytische scheikunde 5 VWO door S.R.A. Molenaar,

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 1

Samenvatting

Het ontwerpvraagstuk dat centraal staat in dit prototype, is de lesmethode die een leerling aangeboden krijgt voor de analytische scheikunde in 5 VWO. Toets resultaten voor dit onderwerp vallen al jaren tegen en ook in centrale examens vallen de resultaten tegen in vergelijking met gemiddelde behaalde punten op andere onderwerpen. Waar gemiddeld 60% van de punten gehaald worden op examens scheikunde, ligt het gemiddelde aantal punten van de analytische scheikunde rond de 40%. Dit terwijl analytische scheikunde erg belangrijk is in een vervolg studie scheikunde. Er blijft altijd een noodzaak om reactieproducten te scheiden en te identificeren, ook wanneer een student niet persé kiest voor de analytische kant van de chemie. Middelbare school leerlingen geven aan dat er te veel onderwerpen in te weinig tijd behandeld worden, en dat terwijl in onze huidige lesmethode maar twee van de zes behandelde onderwerpen voorkomen in het examenreglement. Om leerlingen te helpen zich beter voor te bereiden op het centraal examen is daarom gekozen om het aantal onderwerpen in te korten, terwijl er dieper wordt ingegaan op de eisen in het examenreglement. Door middel van probleem gestuurd leren, waarin context en practica een groot aandeel hebben, wordt geprobeerd de leerlingen de lesstof beter te laten beheersen, maar ook beter te onthouden. Het prototype wordt afgesloten met een overkoepeld project, waarbij alle onderwerpen aan bod komen. De gestelde ontwerphypothese voor dit prototype is als volgt: “Als 5 VWO leerlingen een nieuw hoofdstuk analytische scheikunde aangeboden krijgen, waarin de focus ligt op de eisen in het examenreglement, probleemgestuurd leren en contextrijke voorbeelden & practica dan zullen de leerlingen de lesstof beter beheersen & onthouden, zal de motivatie stijgen en zullen de resultaten op examenvragen over analytische scheikunde omhoog gaan.”

De ontwerpregels waaraan het prototype zich moet houden zijn als volgt:

1. Als de focus op het examenreglement moet liggen, dan moet het aantal behandelde methoden zoveel mogelijk beperkt worden tot de eisen in het examenreglement om verwarring te voorkomen.

2. Als het hoofdstuk opgezet wordt vanuit probleemgestuurd leren, dan moet elke paragraaf beginnen met een probleemstelling. Deze probleemstelling kan variëren van een practica tot opgaven waarbij de leerling na moet denken over het gegeven probleem. Dit zal leiden tot een grotere motivatie en het beter beheersen van de stof.

3. Als het hoofdstuk wordt afgesloten met een project, dan kunnen de leerlingen de lesstof beter moeten onthouden.

4. Als het hoofdstuk contextrijk geschreven wordt, dan verhoogt dit de motivatie van de leerlingen 5. Als de paragrafen een duidelijke structuur hebben, waarbij belangrijke onderdelen snel van elkaar

te onderscheiden zijn, dan werkt een leerling prettig met de aangeboden lesstof.

Door leerlingen en de scheikunde sectie te interviewen over elk afzonderlijk paragraaf en op het einde als geheel hoofdstuk, werd geprobeerd de kwaliteit van de lesmethode zo hoog mogelijk te krijgen. Na elke validatie ronde werd het aangeboden feedback verwerkt en mee genomen bij het schrijven van het volgende paragraaf. Het project werd als eerste geschreven, zodat moeilijk termen opgemerkt konden worden. Vervolgens kon de rest van het hoofdstuk geschreven worden, waarbij de moeilijke termen duidelijk werden uitgelegd. Bij de eindevaluatie is gebleken dat zowel de sectie als de leerlingen het prototype beter vonden dan de huidige lesmethoden. Om deze reden zal het prototype uitgebreid worden met extra opgaven en handleidingen, zodat de sectie op school het hoofdstuk in de aankomende jaren kan gebruiken. Zowel de leerlingen als de sectie beschouwden de didactische opzet als aantrekkelijk en motiverend, net als het afsluitende project.

(3)

Inhoud

Samenvatting ... 1 1. Ontwerpplan... 3 1.1. Ontwerpvraagstuk ... 3 1.2. Theoretische verkenning ... 3 1.3. Empirische verkenning ... 4

1.4. Ontwerphypothese & ontwerpregels ... 6

1.5. Opzet & methoden voor valideringsonderzoek ... 7

2. Ontwerpen, valideren & rapporteren ... 8

2.1. Resultaten van de eerste validering ... 8

2.2. Inzichtelijke beschrijving van het prototype ... 9

2.3. Resultaten van de tweede validering ... 10

2.4. Conclusies en discussie ... 12

2.5. Analytische terugblik ... 14

Woord van de auteur ... 15

Referenties ... 15

Bronnen per figuur & experiment ... 18

(4)

1. Ontwerpplan

1.1. Ontwerpvraagstuk

Analytische scheikunde is heel belangrijk in een verdere scheikunde studie voor een leerling. Wanneer een leerling kiest om een studie in de scheikunde te doen na de middelbare school, wordt het scheiden en analyseren van chemicaliën een belangrijke taak. Scheikunde is ook begonnen, zoals de naam al zegt, als de kunde van het scheiden. Bovendien is het erg belangrijk voor een onderzoeker of chemiestudent om methoden te begrijpen om chemische stoffen te identificeren en te kwalificeren. Een onderzoeker of student moet hiervoor verschillende methoden gaan leren. Een goede basis is hiervoor erg belangrijk. Wat ik heb gemerkt is dat in het boek van Chemie Overal er niet voldoende aandacht wordt besteed aan de belangrijke aspecten van deze kant van de chemie. Waar het examenreglement zegt dat leerlingen een voldoende kennis moeten hebben van gaschromatografie (GC) en van massaspectrometrie (MS) [1], worden in Chemie Overal aan beide onderdelen één paragraaf gewijd. Aan het onderdeel spectroscopie worden vier paragrafen gewijd. Hoewel dit ook een belangrijk onderdeel is, is deze verhouding niet proportioneel. Na een verdere blik naar andere lesmethoden bleek dat het boek NOVA een nog korter hoofdstuk bevat waar spectroscopie niet in voorkomt en wederom maar één kort paragraaf voor massaspectroscopie en één kort paragraaf voor chromatografie. Deze onderwerpen zijn dus erg onderbelicht, maar van een leerling wordt wel verwacht deze stof te beheersen op het eindexamen. Een nieuw hoofdstuk over analytische scheikunde, met een grotere focus op de exameneisen, kan een uitkomst bieden.

1.2. Theoretische verkenning

Leerlingen krijgen analytische scheikunde in alle (bij de auteur bekende) lesmethoden in 5 VWO en dus zal de verkregen kennis onthouden moeten worden tot minimaal hun eindexamen. De leerlingen zullen een jaar lang geen analytische chemie meer krijgen, omdat het een op zichzelf staand onderwerp is. Het is geen kennis waar op voortgebouwd wordt. De leerlingen zullen dus een extra hulpmiddel kunnen gebruiken. Hoewel practicum in de scheikunde les geen voordeel heeft in het beter begrijpen van de lesstof [2], heeft practicum wel effect op de motivatie van de leerling [3] en kan het invloed hebben op het onthouden van de lesstof [4]. Om deze reden krijgt practicum een groot onderdeel in het herschreven hoofdstuk. Het hoofdstuk wordt afgesloten met een project, waarbij de behandelde onderdelen uit het hoofdstuk zoveel mogelijk gebruikt worden. De experimenten die de leerlingen zullen doen, zullen zoveel mogelijk in de context van de leefwereld van de leerlingen geplaatst worden. Dit omdat de context voor extra motivatie kan zorgen bij leerlingen [5,6] en motivatie helpt bij het leren en begrijpen van de lesstof [7]. Contextrijke experimenten zijn in overvloed aanwezig [8–11] waarbij verschillende aspecten van de analytische chemie behandeld worden. Het eindproject kan zo worden opgezet dat alle behandelde onderwerpen een plekje krijgen in het project.

Alleen een project is niet voldoende voor een leerling om de lesstof voldoende te beheersen. Hierdoor zullen de twee onderwerpen uit de exameneisen behandeld worden in twee paragrafen per onderwerp. Als een stof geïdentificeerd wordt, is een zuivere stof nodig. Daarom worden eerst het scheiden van de stoffen met chromatografie behandeld en daarna de identificatie met massaspectrometrie [12]. Om chromatografie te kunnen begrijpen, moet een leerling enige voorkennis hebben over de verschillende detectoren die gebruikt kunnen worden [13]. Om deze reden zal er eerst een paragraaf UV/vis spectroscopie in het hoofdstuk behandeld moeten worden. Verder zullen de leerlingen voorkennis moeten hebben over het atoommodel van Bohr, polariteit en molecuulmassa’s. In 5 VWO mag er vanuit gegaan worden dat de leerlingen deze voorkennis hebben. De paragrafen zullen geschreven worden volgens het “Problem Based Learning” principe [14]. Probleemgestuurd leren is zeer geschikt voor het leren van

(5)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 4 analytische chemie [15], omdat de analytische methoden voortkomen uit problemen. Er is noodzaak om stoffen te scheiden en te identificeren en vanuit die noodzaak zijn methoden te begrijpen. Problemen uit de praktijk koppelen met de theorie en practica geeft zeer goede leer resultaten [16].

1.3. Empirische verkenning

Op mijn eigen school bleek dat tijdens de toets waar het analytische hoofdstuk in behandeld werd, gemiddeld maar 7 van de 21 punten (33%) van dit onderwerp gescoord waren (Figuur 1). Uit antwoorden van de leerlingen bleek dat al snel dat zij verschillende methoden door elkaar haalden en dus onnodig veel fouten maakten. Ook bij navraag bij de leerlingen zelf, bleek dat de leerlingen inderdaad moeite hadden met het uit elkaar houden van de verschillende methoden. Zo

werden bijvoorbeeld buig- en strekvibraties door elkaar gehaald met het opnemen van een foton door elektronen, oftewel infraroodspectroscopie en UV/vis spectroscopie. Problemen met spectroscopie zijn ook aanwezig bij tweedejaars bachelor studenten [17], deze studenten zijn ouder en zijn hierdoor beter in staat om complexe problemen op te lossen [18,19] en bovendien hebben deze studenten meer ervaring met scheikunde en analytische methoden. Er kan dus ook niet van de gemiddelde 5 VWO leerling verwacht worden dat zij het wel kunnen beheersen.

Een snelle greep uit oud examens laat het belang zien van chromatografie zien. Leerlingen wordt gevraagd om te beschrijven hoe stoffen geïsoleerd kunnen worden door middel chromatografie in bijvoorbeeld de examens: 1e_{tijdvak 2010, 1}e_{tijdvak 2012, 2}e_{tijdvak 2013, 1}e_{tijdvak 2014 en 1}e_{tijdvak 2015. Voor deze tijd} werd er wel melding gemaakt van chromatografie (1e_{tijdvak 2005), maar werden de principes nog niet} gevraagd. Hetzelfde geldt voor massaspectrometrie. Massaspectra worden behandeld in bijvoorbeeld examens: 2e_{tijdvak 2003, 1}e_{tijdvak 2004, 1}e_{tijdvak 2006, 1}e_{tijdvak 2007 & 2}e_{tijdvak 2007, 1}e_{tijdvak 2012} & 2e_{tijdvak 2012, 1}e_{tijdvak 2014 en 1}e _{& 2}e_{tijdvak 2015. Het feit dat dit dus regelmatig examenvragen} zijn, geeft het belang van deze onderdelen aan. Nader onderzoek in de examenresultaten van de eerste tijdvakken van 2014 en 2015 geeft de volgende statistieken zoals te zien in tabel 1 [20]. Op vraag 8 uit het jaar 2015 na, wordt er erg slecht gescoord op deze twee onderwerpen. Vergeleken met gemiddelde examenscores van 62,21% in 2014 en 57,77% in 2015 zijn de resultaten voor de analytische methoden ondermaats. Voor de voorgaande jaren is er geen data voorhanden per individuele examenvraag. Maar ik kan me voorstellen dat de resultaten vergelijkbaar zijn met deze twee jaren en met de resultaten in mijn eigen school. Opvallend is ook dat er in de opgaven van massaspectrometrie aangegeven wordt dat er negatieve ionen ontstaan in hun context. Terwijl er in de schoolboeken alleen positieve ionen behandeld worden door radicalisering. Niet door bijvoorbeeld het opnemen van een Cl-_{ion (2014) of het afstaan van} een H+_{ion (2015).} 3 4 4 0 3 2 4 5 7 2 3 5 2 2 1 1 1 0 0 0 0 0 0 2 4 6 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021

Frequentie

(6)

Jaar Opgave Onderwerp Max punten Gemiddeld % Max punten Niet ingevuld Totaal examens % Niet ingevuld 2014 6 Chromatografie 2 0.76 38 *** 17124 2015 7 Chromatografie 2 0.87 43 917 13414 6.8 2015 8 Chromatografie 2 1.83 92 83 13414 0.6 Gemiddeld 57.7 3.7 2014 17 MS 2 1.23 62 596 17124 3.5 2014 18 MS 3 0.78 26 *** 17124 2015 9 MS 3 1.3 43 166 13414 1.2 2015 10 MS 3 1.31 44 1308 13414 9.8 2015 11 MS 2 0.87 44 1792 13414 13.4 Gemiddeld 43.8 7.0

Tabel 1: Resultaten van chromatografie en massaspectrometrie opgaven in de eindexamens scheikunde VWO 1e_{tijdvak 2014 en 1}e_{tijdvak 2015}

Verdere navraag bij leerlingen over wat zij belangrijk vinden in een (scheikunde) hoofdstuk, heeft geleid tot de volgende drie punten:

• Goede vragen op het eind van het hoofdstuk. Waarbij de lesstof rustig herhaald wordt, maar de vragen moeten uitdagend blijven en er moeten vragen in het hoofdstuk zitten op het niveau van de toets. Dan weten de leerlingen waar ze aan toe zijn. De uitwerkingen van de opgaven zijn duidelijk en bieden inzicht op de tussenstappen van het antwoord, in plaats van alleen het antwoord.

o In de literatuur kon ik vinden dat er verschillende klassen opgaven zijn en dat deze klassen opgaven in een bepaalde verhouding voorkomen om het leren te helpen [21,22].

o Hoewel ik het met de leerlingen eens ben dat goede opgaven op het einde van het hoofdstuk de leerlingen zeer veel kan helpen, moet ik wel zo realistisch zijn om te bedenken dat er wellicht geen tijd is om deze extra opgaven en uitwerkingen te maken. • Duidelijke opmaak van het hoofdstuk. Bijvoorbeeld belangrijke stukken tekst in een andere kleur

of op een andere kleur achtergrond.

• Plaatjes, maar alleen als ze relevant zijn. In ons eigen scheikundeboek staan soms tekeningen van flauwe scheikunde grapjes, leerlingen vinden dit niet boeiend.

(7)

1.4. Ontwerphypothese & ontwerpregels

Bovenstaande verkenning heeft tot de volgende ontwerphypothese geleidt:

“Als 5 VWO leerlingen een nieuw hoofdstuk analytische scheikunde aangeboden krijgen, waarin de focus ligt op de eisen in het examenreglement, probleemgestuurd leren en contextrijke voorbeelden & practica dan zullen de leerlingen de lesstof beter beheersen & onthouden, zal de motivatie stijgen en zullen de resultaten op examenvragen over analytische scheikunde omhoog gaan.”

Om de bovenstaande ontwerphypothese te realiseren zijn ontwerpregels opgesteld:

6. Als de focus op het examenreglement moet liggen [1], dan moet het aantal behandelde methoden zoveel mogelijk beperkt worden tot de eisen in het examenreglement om verwarring te voorkomen [17].

o De eisen in het examenreglement zijn kennis over chromatografie en massaspectrometrie. Voorkennis over UV/vis spectroscopie is nodig voor detectie in chromatografie en zal dus als ook behandeld moeten worden [13]. Meer methoden zijn niet relevant in dit prototype.

o Het hoofdstuk begint daarentegen wel met een korte intro van maximaal één bladzijde. Deze inleiding behandelt de principes van de analytische chemie en wordt beschreven waarom analytische scheikunde relevant is en zal bedoeld worden om interesse te wekken in de rest van het hoofdstuk.

7. Als het hoofdstuk opgezet wordt vanuit probleemgestuurd leren, dan moet elke paragraaf beginnen met een probleemstelling. Deze probleemstelling kan variëren van een practica tot opgaven waarbij de leerling na moet denken over het gegeven probleem. Dit zal leiden tot een grotere motivatie [3,14] en het beter beheersen van de stof [14,15].

8. Als het hoofdstuk wordt afgesloten met een project, dan kunnen de leerlingen de lesstof beter moeten onthouden [4].

o Het project moet de geleerde lesstof uit de rest van het hoofdstuk goed omvatten en moet bovendien nieuwe inzichten geven in de geleerde lesstof.

o Het project moet de leerling motiveren. Het project wordt dus geschreven in een rijke context die ligt in de leefwereld van de leerling [3,5,16].

9. Als het hoofdstuk contextrijk geschreven wordt, dan verhoogt dit de motivatie van de leerlingen [5,6,16].

o Als het hoofdstuk contextrijk is, dan kan een probleem beschreven worden waarvan uit geleerd kan worden door de leerling [5,16].

o Als de motivatie groter is bij leerlingen, dan leert de leerling beter [3,7,14].

10. Als de paragrafen een duidelijke structuur hebben, waarbij belangrijke onderdelen snel van elkaar te onderscheiden zijn, dan werkt een leerling prettig met de aangeboden lesstof.

En bij extra tijd zijn de volgende twee ontwerpregels nodig:

11. Als de opgaven op het eind van elke pararaaf relevant zijn aan de opgedane kennis en uitdagend zijn, dan bieden ze een groter inzicht in de lesstof [21,22].

o De paragrafen zullen ook vragen op examenniveau bevatten om de leerling voldoende te kunnen testen. Oude examens zullen dienen als vergelijkingsmateriaal.

12. Als de uitwerkingen van de opdrachten helder zijn uitgelegd en stapsgewijs zijn aangeboden, dan helpt dit de leerling om zijn eigen resultaten te verbeteren.

(8)

1.5. Opzet & methoden voor valideringsonderzoek

Voor de validering van het eindproduct worden leerlingen uit mijn eigen klassen gebruikt, mijn stagebegeleider en de scheikunde sectie op mijn stageschool. De validatie zal plaatsvinden in vijf verschillende stappen:

Stap 1: De algemene opzet wordt besproken met mijn stagebegeleider, scheikunde sectie en mijn

vakdidacticus. Hierbij wordt gevraagd naar de behandelde onderwerpen, het afsluiten met een project en de gekozen didactische vorm: probleemgestuurd leren. Hierbij worden de ontwerpregels 1 t/m 3 besproken. Deze stap is grotendeels al afgerond bij het inleveren van de ontwerpnotitie.

Stap 2: Na het schrijven van een paragraaf wordt deze voorgelegd aan mijn stagebegeleider. Mijn

stagebegeleider wordt gevraagd naar de opmaak, het taalgebruik en de kwaliteit van de didactische opzet. Ontwerpregels 2, 4 & 5 worden besproken.

Stap 3: Na het verwerken van de feedback van mijn stagebegeleider, wordt de paragraaf voorgelegd aan

één of twee leerlingen. De leerlingen wordt net als mijn stagebegeleider gevraagd naar de opmaak, het taalgebruik en de didactische opzet. De leerlingen echter krijgen ook de vragen over de begrijpbaarheid van de lesstof en over motivatie om door te lezen en opgaven te maken. Ook wordt aan de leerlingen gevraagd om woorden te onderstrepen waarvan de leerling niet zeker weet wat het is. Op deze manier kan er extra uitleg over de woorden geschreven worden. Dit kan of in de paragraaf zelf of in een voorgaande paragraaf geschreven worden. Ontwerpregels 2 t/m 7 worden op deze manier met de leerlingen besproken.

Stap 4: Na het verwerken van de feedback, wordt de feedback gebruikt bij het schrijven van het volgende

paragraaf en worden stappen 2 en 3 herhaalt totdat het hoofdstuk af is.

Stap 5: Het hoofdstuk wordt opnieuw geëvalueerd door mijzelf aan de hand van alle verkregen feedback.

Hierna wordt het hoofdstuk voorgelegd aan één of twee leerlingen en de scheikunde sectie. Hierbij ligt de nadruk op ontwerpregels 1 t/m 3 en de ontwerphypothese. Hierbij is het van belang om te bespreken of het afgeleverde product van hogere kwaliteit is dan het analytische hoofdstuk uit onze eigen lesmethode.

Het eerste paragraaf dat geschreven wordt is het laatste paragraaf van het hoofdstuk: het project. Hier is voor gekozen zodat in validatie stap 3 alle lastige begrippen uit de paragraaf in kaart worden gebracht. Hierdoor is er een houvast bij het schrijven van de andere paragrafen. In stap 5 van de evaluatie kan er nog nagegaan worden of alle begrippen daadwerkelijk zijn beschreven in het hoofdstuk. Hierna volgen paragraaf 1: Inleiding, 2: UV/vis spectroscopie, 3: Scheiden van stoffen (Als intro op chromatografie), 4: Chromatografie, 5: Massaspectrometrie en 6: Analyse van isotopen (Als vervolg op massaspectrometrie). Er zijn 5,5 à 6 weken nodig om het prototype tot een einde te brengen. Waarbij elke week twee paragrafen geschreven en geëvalueerd worden (Zie tabel 2).

(9)

Week 1 2 3 4 5 6 Feedback ontwerphypothese Schrijven paragraaf 7 Feedback paragraaf 7 Schrijven paragraaf 1 Feedback paragraaf 1 Schrijven paragraaf 2 Feedback paragraaf 2 Schrijven paragraaf 3 Feedback paragraaf 3 Schrijven paragraaf 4 Feedback paragraaf 4 Schrijven paragraaf 5 Feedback paragraaf 5 Schrijven paragraaf 6 Feedback paragraaf 6 Evalueren hoofdstuk Feedback hoofdstuk

Tabel 2: Planning voor het schrijven van het prototype

2. Ontwerpen, valideren & rapporteren

2.1. Resultaten van de eerste validering

Tijdens het bespreken met de scheikunde sectie over de opzet en ontwerphypothese van het prototype, waren er gemixte ideeën over de opzet van het prototype. Hoewel alle bovenbouw docenten het probleem, waarbij de analytische chemie niet voldoende wordt gemaakt, hebben geconstateerd, zijn de meningen hier over verdeeld. De leerlingen zelf geven aan dat het allemaal te veel en te lastig is. Ik en mijn stagebegeleider delen die mening met de leerlingen, maar een andere scheikunde docent zegt dat dit komt omdat de leerlingen te weinig doen en dat dit typisch is voor een eerste scheikunde toets van 5 VWO. Ook geeft deze docent aan dat er niet zomaar methoden geschrapt kunnen worden, in verband met het schoolexamen. Nadat gebleken is dat de onderwerpen van het schoolexamen niet vast staan, is dit criterium weggevallen. Het probleem waarbij de leerlingen niet genoeg doen met de geleerde lesstof, kan mogelijk verholpen worden door de motivatie te vergroten. De leerlingen kunnen gemotiveerd worden met een uitdagend hoofdstuk, waarbij practica een groot aandeel kunnen hebben.

De ontwerpregels werden unaniem als positief ontvangen. Het probleemgestuurd leren is iets wat onze eigen methode niet gebruikt en de sectie geeft aan dit als een interessante didactische aanpak te zien. Het feit dat dit hoofdstuk afgesloten wordt met een overkoepeld project wordt als positief ervaren, mits het project de leerling ook daadwerkelijk nieuwe dingen leert en de geleerde principes goed weerspiegeld.

(10)

2.2. Inzichtelijke beschrijving van het prototype

Om te bepalen wat er in de paragrafen behandeld moest worden, is er begonnen met het schrijven van het laatste paragraaf: Het project. Dit project is geschreven over kleurstoffen in spinazie. Voor het eerste deel van het project is er een gekozen voor het extraheren en scheiden van de kleurstoffen. In dit deel wordt de practicum handleiding van A. Johnstone uit 2013 [11] grotendeels gevolgd. Hiermee leert de leerling de handelingen die nodig zijn om kolomchromatografie succesvol te gebruiken en geeft het practicum inzicht op de effecten van verschillende combinaties loopvloeistoffen op de kleurstoffen. Vervolgens moeten de leerlingen vragen beantwoorden over het uitgevoerde experiment. Op deze manier moeten de leerlingen nadenken over wat er in het voorgaande experiment gedaan is. In deze vragen wordt de leerlingen gevraagd naar de molecuulstructuren van de kleurstoffen te kijken en te beredeneren welke kleurstof in de verschillende fracties is opgevangen. Bovendien krijgen de leerlingen algemenere vragen over chromatografie, die de leerlingen moeten kunnen beantwoorden in het centraal examen.

Op dit moment zijn er geen practicum handleidingen beschikbaar om de experimenten in dezelfde context te behandelen, en om deze reden is de handleiding zelf geschreven. De handleidingen van B. Rohrig uit 2015 [9] en C. Soaris uit 2017 [10] worden er bijgehouden om zeker te weten dat alle juiste stappen worden behandeld. Na het chromatografie experiment gaan de leerlingen een aantal vragen beantwoorden over UV/vis spectrometrie, waarbij de beginselen worden gemaakt voor het volgende experiment. Hierbij wordt de leerlingen gevraagd om de samenstelling van de blanco en moet de leerlingen nadenken over de verdunningen die de leerling moet maken in het volgende experiment. In het volgende experiment wordt de leerlingen gevraagd de concentratie te bepalen van de fracties uit het chromatografie experiment en sluit het experiment wederom af met vragen. In deze vragen worden wederom algemene vragen gesteld over UV/vis spectrometrie, maar wordt de leerling ook geleid naar kwantitatieve waarden over de gescheiden fracties.

Het project wordt afgesloten met opgaven over massaspectrometrie. Een middelbare school zal zelf geen massaspectrometer in huis hebben. Om deze reden is het dus niet mogelijk om een experiment op te zetten, maar de gegeven opgaven zijn wel opgezet in de context van de gescheiden kleurstoffen. In deze opgaven wordt de leerling gevraagd het verschil in massa te beredeneren voor de verschillende kleurstoffen en wordt bovendien gevraagd naar de fragmentatie van deze kleurstoffen. Vooral de fragmentatie vragen zijn van een moeilijk niveau, maar zijn van soort gelijk niveau als een examenvraag.

Omdat het prototype bedoeld is als vervanging van hoofdstuk 10: Analytische chemie in Chemie Overal, is het prototype ook genummerd als hoofdstuk 10.

(11)

2.3. Resultaten van de tweede validering

Het project is vervolgens voorgelegd aan mijn stagebegeleider en twee leerlingen. Aan mijn stagebegeleider worden vragen gesteld over de didactische aanpak van het project, de opmaak van de paragraaf en het taalgebruik. De feedback van mijn stagebegeleider kan omschreven worden in een aantal punten:

• De experimenten beginnen met een lijst van benodigdheden, zodat de leerlingen de materialen alvast kan verzamelen.

• Een omkadering bij de figuren, zodat het duidelijk is welke beschrijving hoort bij welk figuur. • Tijdens het experiment de handelingen aangeven met bullet-points, zodat de leerlingen alles

duidelijk stap voor stap voor handen heeft.

• De leerlingen een invulblad aanrijken, zodat de leerling een duidelijk overzicht heeft van wat er ingevuld moet worden. Bovendien kan de leerling het invulblad er bij de volgende les weer makkelijk bij pakken. Omdat het experiment twee lesuren nodig zal hebben.

• Een TOA-handleiding bij de experimenten, zodat de onderwijsassistent en de docent de experiment voldoende kunnen voorbereiden.

• Met mijn taalgebruik gebruik ik te vaak verklein woorden met “tje”. • Enkele spelfouten worden onderstreept.

Met deze feedback is vervolgens het project aangepast. Elk experiment begint nu met een lijst met benodigdheden en bij elk experiment zijn bullet-points gezet bij de handelingen. Alle figuren zijn omlijst met een zwart kader, alle spelfouten zijn verbeterd en de het taalgebruik verbeterd. Er is in overleg met mijn stagebegeleider besloten om de TOA-handleiding en het invulblad nog niet uit te werken. Dit omdat het voor het didactische aspect van het hoofdstuk niet relevant is en deze twee punten kunnen behandeld worden na het schrijven van het hele hoofdstuk. Er is besloten om het onderzoek en het verslag eerst af te maken en de handleiding te schrijven nadat alles is afgerond, mocht mijn stagebegeleider met het hoofdstuk willen werken in de aankomende jaren.

Aan de twee leerlingen werd gevraagd om het project door te lezen en woorden waarvan zij de betekenis niet kennen te onderstrepen. Ook vraag ik de leerlingen om aan te geven wanneer zij iets aan te merken hebben over de opmaak of het taalgebruik. Nadat de leerlingen de paragraaf hebben doorgelezen, ben ik de leerlingen vragen gaan stellen over hun mening van de opzet van de experimenten, de opmaak van de paragraaf en de begrijpbaarheid van de tekst. Vervolgens vraag ik de leerlingen ook over hun mening over het project: Motiveert het project hun om aan het werk te gaan en te leren en denken de leerlingen dat het project af te ronden is of is het te moeilijk. Uit de antwoorden van de leerlingen bleken de volgende punten:

• Moeilijke woorden uit het project die de leerlingen nog niet kenden waren: o “Elueren” bij het chromatografie experiment,

o “Cuvet” bij het UV/vis experiment,

o En “stock-oplossing” bij het UV/vis experiment.

• Het voorbereidingsexperiment, waarbij de kleurstoffen uit de spinazie geëxtraheerd worden, als afzonderlijk experiment behandelen en niet bij het chromatografie experiment zetten.

• De leerlingen vinden de opzet van de experimenten leuk en zouden het interessant vinden om het project met spinazie uit te voeren.

• De opgaven over massaspectrometrie op het einde van het project, lijken erg moeilijk voor de leerlingen. Verder zijn het project en de opgaven naar hun mening goed te doen, alhoewel het soms misschien wat lastig kan zijn met de kennis die ze nu hebben.

(12)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 11 • De opmaak van de tekst is fijn om mee te werken en de verschillende kleuren achtergrond maakt

het meteen duidelijk wat de experimenten zijn en wat de opgaven zijn. • Het taalgebruik is begrijpelijk.

De moeilijke woorden die de leerlingen aan hebben gegeven, zijn door mij genoteerd en worden behandelend in de paragrafen die nu geschreven worden. Het woord “stock-oplossing” is in het project veranderd in standaardoplossing. Dit om de begrijpbaarheid te verbeteren. Het voorbereidingsexperiment is als apart experiment behandeld en heeft zijn eigen plekje in het hoofdstuk nu. In overleg met mijn stagebegeleider is besloten de moeilijke opgaven over massaspectrometrie zo te houden. Dit omdat deze vragen op examenniveau zijn en de leerlingen dit soort vragen moeten kunnen beantwoorden. Bovendien staat bij de ontwerpregels dat het project nieuwe inzichten moet leveren en dat de leerling van het project moet leren en dus is de moeilijkheid van deze vragen verantwoord.

Met de feedback van het schrijven van het project, zijn er twee paragrafen per week geschreven. Hierbij werd elk geschreven paragraaf eerst van feedback voorzien, voordat er begonnen werd aan het volgende paragraaf. Elk nieuw paragraaf werd beoordeeld door een nieuwe leerling, om meerdere soorten feedback te krijgen.

Paragraaf 1 is een kort en inleidend paragraaf, waarbij de termen “identificeren”, “scheiden”, “kwalificeren” en “kwantificeren” hun intrede doen. Er is voor gekozen om elke belangrijke term dikgedrukt te maken zodat de leerlingen de belangrijke termen in één keer kan herkennen. Zowel mijn stagebegeleider als de leerling vonden dat dit positief was voor de leesbaarheid van de paragraaf. Er was weinig aan te merken op deze paragraaf, op enkele woordkeuzes na. Bijvoorbeeld werd DNA een materiaal genoemd in de inleiding. In plaats van DNA wordt nu organisch materiaal gebruikt, waarbij voorbeelden worden genoemd van organisch materiaal dat DNA kan bevatten. De leerling die de evaluatie van paragraaf 5 deed, gaf aan dyslexie te hebben. Tot dit paragraaf waren alle stukken tekst in mijn geschreven hoofdstuk met een vullende opmaak gemaakt. (Zoals dit verslag, waarbij elke regel eindigt op dezelfde afstand van de rand.) De leerling met dyslexie echter, gaf aan dat het voor hem lastig lezen was wanneer de afstand tussen woorden niet gelijk is. Ik heb vervolgens alle paragrafen veranderd om de leesbaarheid van het hoofdstuk te vergroten.

Vanaf paragraaf 2 wordt ontwerpregel 2 belangrijk, probleemgestuurd leren. Vanaf hier wordt elke paragraaf begonnen met opgaven of een experiment. Tijdens de feedback ronde met een leerling, wordt door mij elke keer gevraagd aan de leerling om deze vragen te beantwoorden voordat de leerling begint met het lezen van de rest van de paragraaf. Op deze manier is de gangbaarheid van de inleidende opgaven, of het probleem, getest. Ook werden de leerlingen gevraagd om hun mening over het feit dat er inleidende opgaven of experimenten waren. Leerlingen waren erg positief over de inleidende vragen, alhoewel een enkele leerling vroeg waar ze voor nodig waren als de antwoorden in de tekst stonden. Nadat ik aan de leerling uitgelegd heb, dat wanneer de leerling het misschien beter kan onthouden als de leerlingen er zelf al over nagedacht heeft, zei de leerling dat ik hier waarschijnlijk wel gelijk in had. Paragraaf 3 begint met een experiment en vervolgens worden er vragen gesteld over het experiment. De leerling die dit paragraaf beoordeelde gaf aan enthousiast te worden van de experimenten en dat het haar aanmoedigt om verder te lezen. Paragraaf 4 begint met een heel korte inleidende tekst en wordt gevolgd door opgaven. Omdat kolomchromatografie een principe is, dat de leerling niet in zijn eigen leefwereld kan plaatsen. Hierdoor was een korte tekst als inleiding nodig. Vervolgens wordt de leerling gevraagd te denken over meetbare grootheden tijdens de kolomchromatografie. Deze keuze is besproken met mijn stagebegeleider en hij

(13)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 12 deelde deze mening. Probleemgestuurd leren werd dus tijdens elke evaluatie als positief bevonden door de leerlingen en mijn stagebegeleider.

Tijdens de evaluatie van elke paragraaf werden de leerlingen gevraagd hoe boeiend zij de paragraaf en het onderwerp vonden. Elk paragraaf begint met een inleidende context waarbij de leerling bekend gemaakt wordt met een voorbeeld waarin het aankomende onderwerp in gebruikt wordt. Zoals recherchewerk, kleuren van limonade, oplosbaarheid, scheiden van stoffen, identificatie en archeologie. Leerlingen werd gevraagd of zij de context relevant en interessant vonden. Maar ook werden vragen gesteld over de gebruikte figuren en de extra informatie vergeleken met hun eigen boek. Paragraaf 3 gaat bijvoorbeeld over de oplosbaarheid van stoffen als introductie van chromatografie. Chemie Overal heeft ervoor gekozen om niet diep in te gaan op dit principe. De ondervraagde leerling gaf aan het juist fijn te vinden om meer van de basis te kennen, omdat dit het onderwerp duidelijker maakt. Paragraaf 6 gaat juist verder met de massaspectrometrie dan dat Chemie Overal doet. Koolstof-14 dateringen wordt hier bijvoorbeeld uitgelegd. Door isotooppatronen te bekijken in archeologische materialen kan de leeftijd bepaald worden. De ondervraagde leerling gaf hier aan het leuk te vinden om deze context ook te weten. Ontwerpregel 4, contextrijke motivatie, lijkt dus zijn vruchten af te werpen.

2.4. Conclusies en discussie

Nadat de feedback per paragraaf is behandeld, heb ik mijn hoofdstuk opnieuw gevalideerd. Hierbij is gelet op consistentie van taalgebruik en is er naar gekeken of alle moeilijke termen zijn uitgelegd. Het examenreglement is vergeleken met de lesstof in het hoofdstuk om er zeker van te zijn dat aan alle exameneisen wordt voldaan. Dit heeft er toe geleid tot een kleine herschrijving van paragraaf 4, waarbij een meer uitgebreide uitleg werd geschreven voor de verschillen in polariteit van de loopvloeistoffen en stationaire fasen en de gevolgen hiervan op de metingen. Het herziene hoofdstuk werd vervolgens voorgelegd aan de scheikunde sectie en twee leerlingen. Hierbij werd gefocust op ontwerpregel 1 t/m 3 en de ontwerphypothese. Hierbij werd veelvuldig de vergelijking gemaakt met het analytische hoofdstuk van Chemie Overal en de eisen in het examenreglement. Bovendien werden oude examenvragen behandeld om de maakbaarheid van deze vragen te testen. Positieve punten uit deze bespreking waren:

• Betere basis voor de chromatografie,

• In Chemie Overal wordt koolstof-14 datering wel genoemd, maar niet behandeld. In mijn hoofdstuk is dit wel aan de orde,

• Practica, zowel in paragraaf 3 als het eindproject, zijn goed gekozen en motiveren de leerling. • Door het afsluiten met het project, geven de leerlingen aan dat zij de lesstof waarschijnlijk beter

onthouden omdat een project zoals deze hun bij zal blijven, • Het hoofdstuk blijft goed bij de exameneisen,

• In paragraaf 5 wordt ingegaan op chemische ionisatie en het vormen van negatieve ionen. Chemie Overal dit niet, maar dit principe komt wel voor in examenvragen. Hierdoor brengen de examenvragen je minder van de been.

(14)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 13 Negatieve punten uit de bespreking zijn als volgt:

• Minder onderwerpen dan de huidige methode. Hoewel de ontwerphypothese gebaseerd is op minder onderwerpen, is er één docent in de sectie die vindt dat de leerling hier wel minder door leert. Dit probleem werd tijdens de evaluatie van de opzet ook al besproken. De leerlingen geven aan dit juist fijn te vinden, omdat ze denken dat ze de belangrijke onderwerpen nu wel beter zullen leren.

• De haalbaarheid van het project voor de school moet nog onderzocht worden. Er zullen materialen aangeschaft moeten worden voor het chromatografie experiment. De kosten en baten van het experiment moet dus onderzocht worden en er moet een budget vrij komen. De sectie denkt het echter wel te kunnen regelen, maar andere scholen kunnen dit misschien niet.

Verder kwamen de volgende punten naar boven tijdens de besprekingen

• Opmaak van het hoofdstuk is duidelijk, maar niet beter of slechter dan Chemie Overal.

• De sectie geeft aan het hoofdstuk als geheel beter te ervaren dan de huidige methode en wil daarom het hoofdstuk gebruiken in de aankomende jaren. Dit kan alleen als het hoofdstuk af is. Om deze reden moeten er meer afsluitende opgaven gemaakt worden. Net als uitwerkingen van de opgaven, TOA-handleidingen en invulbladen voor de experimenten. In overleg met de sectie zal ik deze extra dingen nog maken buiten het onderzoek om.

Ter afsluiting van de eindvalidatie is er gekeken naar de realisatie van de ontwerpregels. Het prototype volgt ontwerpregel 1 zeer goed. De behandelde methoden zijn relevant aan het examenreglement en zorgen extra onderwerpen dus niet voor onduidelijkheden en verwarringen. Maar zoals al aangegeven vind één collega uit de sectie dit een gemis, maar kan zich wel vinden in de criteria voor deze ontwerpregel. Ontwerpregel 2 is grotendeels gevolgd, alleen bij paragraaf 4 zijn de inleidende opgaven minimaal. In het geval van kolomchromatografie bleek het moeilijk om een sturend probleem te realiseren naar de voorkennis dat de leerlingen al hadden. De sectie en leerlingen hadden voor de andere paragrafen een unanieme mening dat deze vorm van didactiek kan helpen met motivatie en het beheersen van de aangeboden stof. Deze ontwerpregel overlapt veel met ontwerpregel 4, waarbij de aangeboden problemen contextrijk werden aangeboden waar mogelijk. De aangeboden context sluit goed aan bij de opgedane kennis en is relevant voor de leerlingen. Maar ook voor deze ontwerpregel sluit paragraaf 4 niet heel goed aan. HPLC en gaschromatografie liggen te ver weg van de leefwereld van de leerlingen dat het lastig bleek om hier een juiste context aan te geven. De opzet van het prototype, waarbij ontwerpregel 5 aangeeft dat het hoofdstuk een duidelijke structuur moet hebben, is goed gelukt. Hoewel de structuur en opmaak van het hoofdstuk niet beter of slechter zijn dan de huidige methode. Het enige voordeel van de huidige structuur sluit aan op ontwerpregel 3. Waarbij het hoofdstuk wordt afgesloten met een overkoepeld project. De leerlingen en sectie geven aan dat een project op deze schaal de leerlingen zal motiveren en hen bij zal blijven. Dat er is gekozen voor kleurstoffen in spinazie sluit goed aan op een context die ligt in de leefwereld van een leerling. De ontwerpregels 6 en 7 moet nog aan gewerkt worden. De paragrafen bieden nog niet genoeg afsluitende opgaven om het prototype als volledig hoofdstuk te kunnen gebruiken en bovendien zijn er nog geen uitwerkingen beschikbaar. De opgaven die wel al in het hoofdstuk staan zijn daarentegen relevant aan de aangeboden kennis en veel van deze opgaven helpen bij het probleem gestuurd leren van de leerlingen. Daar is dan nog bij gekomen dat er TOA-handleidingen en invulbladen nodig zijn. Hieruit valt de conclusie te trekken dat het prototype nog niet volledig bruikbaar is en hier ga ik nog verder aan werken.

(15)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 14 “Als 5 VWO leerlingen een nieuw hoofdstuk analytische scheikunde aangeboden krijgen, waarin de focus ligt op de eisen in het examenreglement, probleemgestuurd leren en contextrijke voorbeelden & practica dan zullen de leerlingen de lesstof beter beheersen & onthouden, zal de motivatie stijgen en zullen de resultaten op examenvragen over analytische scheikunde omhoog gaan.”

Aan de hand van de evaluaties zal de ontwerphypothese naar verwachting slagen. De sectie en de leerlingen hebben aangegeven het hoofdstuk als geheel beter te vinden dan onze huidige methode. De focus ligt beter bij het examenreglement, het probleemgestuurd leren werd als positief ondervonden en de voorbeelden en practica zijn grotendeels contextrijk in de leefwereld van de leerling. De leerlingen geven aan dit hoofdstuk ook leuker te vinden en dus zal de motivatie groter zijn. Echter een betrouwbare conclusie kan pas getrokken worden wanneer het prototype gebruikt gaat worden in een volgende 5 VWO klas. Op dat moment kunnen toets resultaten vergeleken worden met voorgaande jaren. De ontwerphypothese spreekt echter over resultaten op examenvragen en de meest betrouwbare conclusie kan dus pas getrokken worden door de resultaten van de nieuwe 5 VWO klas te vergelijken met het landelijke gemiddelden op die examenvragen. Hierna kan pas besloten worden of de leerlingen de aangeboden lesstof ook daadwerkelijk beter beheersen en onthouden. De conclusies die nu getrokken werden zijn gebaseerd op meningen en gesprekken met de leerlingen. Hierbij is de kans aanwezig dat de mening van de leerlingen is gebaseerd op mijn vragen. Als ik vraag of de leerling iets als positief ervaart, zal de leerlingen mogelijk geneigd zijn om “ja” te zeggen om bijvoorbeeld mijn gevoelens niet te kwetsen. Hierdoor zijn de aangeboden resultaten mogelijk minder betrouwbaar en kan er pas definitief iets gezegd worden over de kwaliteit bij de toets resultaten over één jaar en zal een definitieve conclusie pas over twee jaar getrokken kunnen worden na de centrale examens.

2.5. Analytische terugblik

Het schrijven van dit prototype heeft een grote invloed gehad op mijn ontwikkeling als docent. De hoeveelheid werk dat in het schrijven van een hoofdstuk gaat, is bijvoorbeeld al enorm. Voor het schrijven van één enkel paragraaf, was ik in het algemeen een hele werkdag bezig. Het schrijven van het project heeft zelfs meer dan twee werkdagen geduurd. Bovendien gaat er vervolgens nog meer tijd zitten in het evalueren van de paragrafen en het verwerken van de feedback. Waar een normale lesvoorbereiding, in ieder geval tegen het einde van mijn stage aan, niet langer duurde dan één uur, was de lesvoorbereiding hier dus enorm. Er vanuit gaande dat elk paragraaf één lesuur de tijd heeft om behandeld te worden. Over elke regel tekst die in het prototype staat, moest lang over nagedacht worden. Waar ik geregeld nadacht over betere manieren van het opschrijven van een zin, of het herschrijven van een alinea omdat ik het gevoel had dat ik te langdradig of juist te kort door de bocht was. Het heeft mij goed in laten zien hoeveel werk het eigenlijk is om een lesmethode te schrijven.

Bovendien had ik in het begin van het ontwerp moeite met het vinden van juiste literatuur en had ik daardoor veel moeite met het kiezen van een didactische richting. Maar ik heb gemerkt dat ik hoe verder ik vooruitging met het prototype, ik beter leerde hoe ik de juiste literatuur moest vinden. Nadat eenmaal een didactische richting was gekozen en ik begonnen was met het eerste paragraaf, zijn mijn vakdidactische competenties zeer veel gestegen. Overal moesten afwegingen gemaakt worden en de juiste uitleg moest uiteindelijk op papier komen. Het communiceren met collega’s op het Alkwin, maar ook met mede LIO’s, heeft een andere vorm gekregen tijdens het ontwerpen van dit prototype. Tijdens het communiceren over het prototype moest ik leren gericht vragen te stellen wanneer het nodig was, maar ook open vragen om vervolgens een ander soort feedback te ontvangen.

(16)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 15 Mijn competenties voor het systematisch ontwerpen van een hoofdstuk heeft de grootste stap genomen. Waarbij ik begonnen ben bij het einde van het hoofdstuk om te ondervinden wat voor een uitleg in de voorgaande paragrafen geschreven moest worden. En dan stap voor stap gaan werken om de juiste kennis op papier te hebben, zodat een leerling het project kan afronden. Maar ook zijn na de feedback ronden, de oudere paragrafen weer bekeken. Om te kijken of ik dingen vergeten ben, of mijn schrijfstijl te veranderen.

Woord van de auteur

De auteur wil bij deze zijn stagebegeleider bedanken voor de feedback op elk afzonderlijke paragraaf en op het gehele hoofdstuk en zijn gehele rol in de stage die is afgerond. Ook wil de auteur zijn vakdidacticus bedanken voor de feedback op de opzet van dit prototype en zijn klasgenoten voor alle hulp, van het wijzen op de juiste internetsites tot het leveren van beeldmateriaal gebruikt in het prototype. Als laatste wil de auteur zijn leerlingen en de scheikunde sectie op het Alkwin Kollege bedanken voor de tijd die zij genomen hebben om het prototype te lezen en hun feedback met mij te delen.

Referenties

[1] Scheikunde vwo Syllabus Centraal Examen, 2018.

https://www.examenblad.nl/examen/scheikunde-vwo-2/2019.

[2] E. van den Berg, J. Buning, Practicum: leren ze er wat?, NVOX. 19 (1994) 245–249. [3] M. Karpudewan, Z. Ismail, W.M. Roth, Fostering Pre-service Teachers’ Self-Determined

Environmental Motivation Through Green Chemistry Experiments, J. Sci. Teacher Educ. 23 (2012) 673–696. doi:10.1007/s10972-012-9298-8.

[4] H.A. Bent, H.E. Bent, What do I remember? The role of lecture-experiments in teaching chemistry, J. Chem. Educ. 56 (1980) 609–618. doi:10.1021/ed057p609.

[5] T.L. Overton, N.M. Potter, Investigating students’ success in solving and attitudes towards context-rich open-ended problems in chemistry, Chem. Educ. Res. Pract. 12 (2011) 294–302. doi:10.1039/C1RP90036F.

[6] P.G. Mahaffy, T.A. Holme, L. Martin-Visscher, B.E. Martin, A. Versprille, M. Kirchhoff, L. McKenzie, M. Towns, Beyond “inert” Ideas to Teaching General Chemistry from Rich Contexts: Visualizing the Chemistry of Climate Change (VC3), J. Chem. Educ. 94 (2017) 1027–1035.

doi:10.1021/acs.jchemed.6b01009.

[7] A. Woolfolk, M. Hughes, V. Walkup, Motivation in Learning and Teaching, in: Psychol. Educ., 2nd ed., Pearson, Essex, 2013: pp. 428–471.

[8] D. Mandler, R. Blonder, M. Yayon, R. Mamlok-Naaman, A. Hofstein, Developing and Implementing Inquiry-Bases, Water Quality Laboratory Experiments for High School Students To Explore Real Environmental Issues Using Analytical Chemistry, J. Chem. Educ. (2014) 492–496.

doi:10.1021/ed200586r.

[9] B. Rohrig, The chemistry of Food Coloring: Eating with Your Eyes, Chem Matters. Oct/Nov (2015) 5–7.

(17)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 16 [10] C. Soares, M. Correia, C. Delerue-Matos, M.F. Barroso, Investigating the Antioxidant Capacity of

Fruits and Fruit Byproducts through an Introductory Food Chemistry Experiment for High School, J. Chem. Educ. 94 (2017) 1291–1295. doi:10.1021/acs.jchemed.7b00045.

[11] A. Johnston, J. Scaggs, C. Mallory, A. Haskett, D. Warner, E. Brown, K. Hammond, M.M. McCormick, O.M. McDougal, A green approach to separate spinach pigments by column chromatography, J. Chem. Educ. 90 (2013) 796–798. doi:10.1021/ed300315z.

[12] D.G. Giarikos, S. Patel, A. Lister, R. Razeghifard, Incorporation of gas chromatography-mass spectrometry into the undergraduate organic chemistry laboratory curriculum, J. Chem. Educ. 90 (2013) 106–109. doi:10.1021/ed300091k.

[13] K.R. Galloway, S.L. Bretz, M. Novak, Paper chromatography and UV-Vis spectroscopy to characterize anthocyanins and investigate antioxidant properties in the organic teaching laboratory, J. Chem. Educ. 92 (2015) 183–188. doi:10.1021/ed400520n.

[14] C.E. Hmelo-Silver, Problem-based learning: What and how do students learn?, Educ. Psychol. Rev. 16 (2004) 235–266. doi:10.1023/B:EDPR.0000034022.16470.f3.

[15] H.Y. Shen, B. Shen, C. Hardacre, Using a systematic approach to develop a chemistry course introducing students to instrumental analysis, J. Chem. Educ. 90 (2013) 726–730.

doi:10.1021/ed200740f.

[16] J. Masania, M. Grootveld, P.B. Wilson, Teaching Analytical Chemistry to Pharmacy Students: A Combined, Iterative Approach, J. Chem. Educ. 95 (2018) 47–54.

doi:10.1021/acs.jchemed.7b00495.

[17] T. Vosegaard, ISpec: A Web-Based Activity for Spectroscopy Teaching, J. Chem. Educ. 95 (2018) 97–103. doi:10.1021/acs.jchemed.7b00482.

[18] A. Woolfolk, M. Hughes, V. Walkup, Cognitive views of learning, in: Psychol. Educ., 2nd ed., Pearson, Essex, 2013: pp. 288–329.

[19] A. Woolfolk, M. Hughes, V. Walkup, Complex cognitive processes, in: Psychol. Educ., 2nd ed., Pearson, Essex, 2013: pp. 330–387.

[20] Cito, Eindexamens VWO, (n.d.). https://www.cito.nl/onderwijs/voortgezet-onderwijs/centrale-examens-voortgezet-onderwijs/examenmateriaal-om-te-oefenen/ (accessed November 27, 2018).

[21] T.N. Turner, Using Textbook Questions Intelligently., Soc. Educ. 53 (1989) 58–60.

http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=eric&AN=EJ386377&site=ehost-live. [22] K. Dávila, V. Talanquer, Classifying end-of-chapter questions and problems for selected general

chemistry textbooks used in the United States, J. Chem. Educ. 87 (2010) 97–101. doi:10.1021/ed8000232.

[23] T. O’Hara, NCIS: S16E02, (2018). https://recapguide.com/recap/116/NCIS/season-16/episode-2/. [24] H. Walrecht, Beelden uit de Ruimte, (n.d.).

(18)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 17 [25] F. Gelderblom, Elektromagnetische golven, (n.d.).

https://www.sciencespace.nl/technologie/artikelen/2960/elektromagnetische-golven (accessed December 19, 2018).

[26] M. Abramowitz, M.W. Davidson, Absorption Characteristics of Stains for Black & White Photomicrography, (n.d.). https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/photomicrography/bwstainchart/ (accessed December 19, 2018). [27] Wikipedia, A modern self-contained HPLC, (2008).

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Agilent1200HPLC.jpg (accessed January 8, 2019). [28] C.M. Loescher, D.W. Morton, S. Razic, S. Agatonovic-Kustrin, High performance thin layer

chromatography (HPTLC) and high performance liquid chromatography (HPLC) for the qualitative and quantitative analysis of Calendula officinalis-Advantages and limitations, J. Pharm. Biomed. Anal. 98 (2014) 52–59. doi:10.1016/j.jpba.2014.04.023.

[29] Aljevragen, Hoe werkt massaspectrometrie?, (2000).

https://www.aljevragen.nl/sk/analyse/ANA160.html (accessed January 10, 2019).

[30] Artiranjit06, Mass spectrum, (2013) 12. https://www.slideshare.net/Artiranjit06/mass-spectrum-28805430 (accessed January 10, 2019).

[31] J. van Rhijn, T. Heutmekers, P. van Kempen, G. Rus, B. Spillane, Y. Veldema, Massaspectrometrie, in: Chemie Overal 5 VWO, 4th ed., Noordhoff Uitgevers, Groningen, 2014: pp. 88–94.

[32] NIST, Mass spectrum bromine, (n.d.).

https://chemistry.stackexchange.com/questions/86158/why-is-the-probability-for-the-signal-at-160-in-the-bromine-mass-spectrum-twice (accessed January 11, 2019).

[33] Dynamicscience.com, Mass spectroscopy - exercises, (n.d.).

http://www.dynamicscience.com.au/tester/solutions1/chemistry/analytical chem/massspect.htm (accessed January 11, 2019).

[34] Wikipedia, Spinazie, (n.d.). https://nl.wikipedia.org/wiki/Spinazie (accessed December 11, 2018). [35] WebbookNIST, Massa spectrum B-caroteen, (n.d.).

(19)

Bronnen per figuur & experiment

Paragraaf 1: Analyse

Figuur 1.1: Een scene uit NCIS waarbij materialen geïdentificeerd worden. NCIS seizoen 16 aflevering 2 [23]

Paragraaf 2: UV-Vis spectroscopie

Figuur 2.1: Glazen gevuld met limonade. Welk glas heeft de sterkste smaak? Eigen foto

Figuur 2.2: Een schematische voorstelling van een golf, met golflengte λ

http://www.hansonline.eu/beelden/radiotelescoop.htm [24]

Figuur 2.3: Verschillende soorten elektromagnetische straling. Zichtbaar licht heeft een golflengte tussen 400 en 700 nm

https://www.sciencespace.nl/technologie/artikelen/2960/elektromagnetische-golven [25]

Figuur 2.4: Het opnemen en uitzenden van een foton Eigen ontwerp met Microsoft PowerPoint

Figuur 2.5: Een schematische voorstelling van een spectrofotometer Eigen ontwerp met Microsoft PowerPoint

Figuur 2.6: Absorptie spectra van een drietal kleurstoffen. Het oog ziet de kleuren die niet geabsorbeerd worden.

https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/photomicrography/bwstainchart/ [26]

Figuur 2.7: Een ijklijn. De extinctie van de onbekende oplossing is gemeten op 0.63. Dit komt overeen met een concentratie van 0.189 mol L-1_.

Eigen ontwerp met Microsoft Excel

Paragraaf 3: Scheiden van stoffen

Practicum regels oplosbaarheid & practicum regels papierchromatografie Eigen ontwerp

Figuur 3.1: Hoe zet je een papierchromatografie experiment op. Eigen ontwerp met Microsoft Paint 3D

Figuur 3.2: De afstand tot de startlijn verschilt, maar de Rf-waarde blijft gelijk Eigen ontwerp met Chemdraw Professional 16.0

Paragraaf 4: Chromatografie

Figuur 4.1: Een voorbeeld van kolomchromatografie Foto gekregen van Jelle Streefkerk

Figuur 4.2: Een HPLC van Agilent

(20)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 19 Figuur 4.3: Een chromatogram van chlorogeenzuur, koffiezuur en rutine

Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, Loescher (2014) [28]

Paragraaf 5: Massaspectrometrie

Figuur 5.1: Schematische voorstelling van een massaspectrometer

https://www.aljevragen.nl/sk/analyse/ANA160.html [29]

Figuur 5.2: Massaspectrum van ethanol

https://www.slideshare.net/Artiranjit06/mass-spectrum-28805430 [30]

Figuur 5.3: Fragmentatie van pentaan-2-on waarbij de positieve lading op het keton komt Eigen ontwerp met Chemdraw Professional 16.0

Figuur 5.4: Fragmentatie van pentaan-3-on waarbij de positieve lading op het keton komt Eigen ontwerp met Chemdraw Professional 16.0

Figuur 5.5: Massaspectrum van pentaan-2-on Chemie Overal 5 VWO [31]

Figuur 5.6: Massaspectrum van pentaan-3-on Chemie Overal 5 VWO [31]

Paragraaf 6: Isotoop patronen

Figuur 6.1: Massaspectrum van broom

https://chemistry.stackexchange.com/questions/86158/why-is-the-probability-for-the-signal-at-160-in-the-bromine-mass-spectrum-twice [32]

Figuur 6.2: Massaspectrum van chloormethaan, CH3Cl

http://www.dynamicscience.com.au/tester/solutions1/chemistry/analytical%20chem/massspect.htm

[33]

Figuur 6.3: Massaspectrum van dichloormethaan, CH2Cl2

http://www.dynamicscience.com.au/tester/solutions1/chemistry/analytical%20chem/massspect.htm

[33]

Paragraaf 7: Project spinazie

Practicum regels kolom chromatografie

Journal of Chemical Education, Johnston (2013) [11]

Practicum regels colorimeter Eigen ontwerp

Figuur 7.1: Spinazie is rijk aan kleurstoffen.

https://nl.wikipedia.org/wiki/Spinazie [34]

Figuur 7.2: Chlorofyl-a en chlorofyl-b zorgen voor een groene kleur. Eigen ontwerp met ChemDraw Professional 16.0

(21)

Universiteit van Amsterdam, Interfacultaire Lerarenopleiding (ILO) 20 Figuur 7.3: β-caroteen en xantofyl zijn gele kleurstoffen.

Eigen ontwerp met ChemDraw Professional 16.0

Figuur 7.4: Een kolom gevuld met silica met onderin een kraan. Bovenop is een laagje spinazie extract aangebracht. Vlak boven de klem is de eerste gele band al te zien.

Figuur 7.5: Een voorbeeld van de opgevangen fractie chlorofyl-a. Uit de sterkte van de kleur kunnen we de concentratie uit rekenen.

Figuur 7.6: Massaspectrum van Tommy’s en Martha’s eerste meting

https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7235407&Mask=200 [35]

Figuur 7.7: Martha’s suggestie voor de afsplitsing van tolueen in β-caroteen en zeaxanthine. Eigen ontwerp met ChemDraw Professional 16.0

(22)

Analysetechnieken worden veelvuldig gebruikt in de industrie, maar ook bij recherche

werk. Op tv zie je veel detective-programma’s waarbij in het laboratorium stoffen uit het

plaats delict worden getest. (Zie figuur 10.1.1) Dit kan organisch materiaal zijn waar een

DNA analyse op uitgevoerd kan worden, zoals haren of huidcellen. Maar ook andere

materialen, zoals vezels uit kleding of een specifiek type modder. Deze materialen kunnen

vervolgens gebruikt worden om de dader op te sporen of tot een veroordeling te komen.

10.1 Analyse

Figuur 10.1.1: Een scène uit NCIS waar materialen geïdentificeerd worden.

In de chemische industrie wordt veel gebruik

gemaakt van analysetechnieken. Dit komt omdat

de mensen in een fabriek willen weten of de

reacties zijn geslaagd en of ze het reactieproduct

wel zuiver hebben verkregen. Dit is vooral

belangrijk in de farmaceutische industrie. Kleine

veranderingen in de structuur van een molecuul en

een medicijn kan je juist ziek maken in plaats van

gezond. Het is dan ook noodzaak om te weten

welke reactieproducten er in het reactievat zitten.

Dit noemen we identificeren.

Vaak verloopt een reactie niet 100% naar het

gewenste product, maar ontstaan er ongewenste

producten, of afvalstoffen. Het is belangrijk om

deze afvalstoffen te scheiden van het product dat

een bedrijf wil verkopen.

In dit hoofdstuk gaan we een aantal analyse

technieken bespreken. Hoe kunnen we stoffen van

elkaar scheiden? Hoe kunnen we stoffen

identificeren, oftewel kwalificeren? Maar ook

leren we technieken waarmee er bepaald kan

worden hoeveel van de stof er is. Dit noemen we

kwantificeren.

Opgaven

1. Kan je, naast medicijnen, nog meer

voorbeelden opnoemen wanneer het

belangrijk is om een zuivere stof te verkrijgen?

2. Welke manieren om stoffen te scheiden ken je

al?

3. Je kent waarschijnlijk al veel manieren om te

kwantificeren. Zo kun je je eigen gewicht

kwantificeren als je wilt. Hoe kwantificeer je je

eigen gewicht?

4. a) Pieter heeft een hoeveelheid wit zout en

druppelt hier 5 mL demiwater op. Nu heeft

Pieter een blauw zout verkregen. Pieter zegt

nu dat het zout kopersulfaat moet zijn. Heeft

Pieter het witte zout nu gekwalificeerd of

gekwantificeerd?

b) En als Pieter het zout weegt?

5. Wanneer is een gemeten waarde

betrouwbaarder? In duplo of in triplo? Of met

100 metingen?

Bij metingen in een laboratorium worden kleine

fouten gemaakt. Dit kunnen fouten zijn die door

de laborant gemaakt worden, maar ook kleine

fouten in de meting door de apparatuur. Hierdoor

kunnen de gemeten waarden soms afwijken van

het echte getal. Om deze fouten minder uit te

laten maken, doet een onderzoeker vaak meer

metingen en neemt de onderzoeker het

gemiddelde als accurater getal. Een onderzoeker

kan bijvoorbeeld zijn metingen in duplo doen,

twee keer. Of in triplo, drie keer.

(23)

Figuur 10.2.2: Een schematische voorstelling van een

golf met een golflengte λ.

Elektromagnetische straling

Zichtbaar licht is een vorm van Elektromagnetische

straling. Elektromagnetische stralingen zijn kleine

energiepakketjes die zich verplaatsen met de

snelheid van het licht (3,00*10

8

m s

-1

) en doen dit in

een golvende beweging. (Fig. 10.2.2) Deze

energiepakketjes worden fotonen genoemd. De

lengte van de golf heet de golflengte, vaak

weergegeven als de Griekse letter labda λ. De

golflengtes van elektromagnetische straling zijn zo

klein, dat ze vaak weergegeven worden in

nanometer. Dit is één miljardste deel van een

meter. (1 nm = 1*10

-9

m) Hoe kleiner de golflengte

van een foton, hoe groter de energie die het foton

bezit. De golflengte en de energie van een foton

zijn dus omgekeerd evenredig met elkaar.

Er zijn veel soorten elektromagnetische straling,

waarvan zichtbaar licht er één is, maar in het

dagelijks leven worden meer soorten gebruikt. Kijk

maar eens naar figuur 10.2.3. Zichtbaar licht heeft

een golflengte tussen de 400 en de 700 nm en gaat

van violet (paars) naar rood. Straling met een

grotere golflengte dan rood licht wordt infrarood

genoemd, of ir-straling. Infra is latijn voor

beneden. Infrarood betekend dus eigenlijk

“beneden rood”. Dit heet zo omdat de energie

lager is dan de rode kleur in het zichtbaar licht.

Straling met een kleinere golflengte dan zichtbaar

licht heet ultraviolet of uv-straling. Uv-straling

heeft een grotere energie dan zichtbaar licht en aan

deze straling kan je je flink verbranden in de zon.

Kleur is erg belangrijk in het dagelijkse leven. Veel dingen baseer je onbewust op kleur. Van

een kleurloos glas water weet je dat het waarschijnlijk puur water is. Maar wanneer het

water rood of geel gekleurd is, weet je dat het water waarschijnlijk is gemengd met

limonade siroop. (Fig. 10.2.1) Bovendien kan je al een inschatting maken over de smaak van

de limonade. Zowel door de kleur van de limonade, als de sterkte van de kleur. Wat zijn

kleuren eigenlijk? En kan een kleur gemeten worden?

10.2 UV-Vis spectroscopie

Figuur 10.2.1: Glazen gevuld met limonade. Welk glas limonade

heeft de sterkste smaak?

Opgaven

1. a) Kijk nog eens naar figuur 10.2.1. Welk glas

limonade heeft de sterkste smaak?

b) Waar heb je je keuze op gebaseerd?

2. a) In de zomer wordt er vaak gewaarschuwd

om niet te lang in de zon te liggen en je

lichaam goed in te smeren, omdat je je anders

flink kan verbranden. Voor welke straling

moet je jezelf beschermen?

b) Waarom helpt het om jezelf in te smeren

met zonnebrand?

(24)

Figuur 10.2.6: Absorptie spectra van een drietal

kleurstoffen. Het oog ziet de kleuren die niet geabsorbeerd worden en dus overblijven.

Figuur 10.2.3: Verschillende soorten elektromagnetische straling. Zichtbaar licht heeft een golflengte tussen 400 en 700 nm.

Energieniveaus

In het atoommodel van Bohr worden elektronen in schillen om een kern heen verdeeld. Alle elektronen in dezelfde schil hebben dezelfde energie. Dit wordt de grondtoestand genoemd. Elektronen in atomen en moleculen kunnen elektromagnetische straling opnemen. Hierdoor kunnen de elektronen in een schil met een hogere energie terecht komen. Dit heet de aangeslagen toestand. (Fig. 10.2.4) Het energie verschil tussen de verschillende toestanden is heel specifiek. Alleen fotonen met precies de juiste energie worden opgenomen. Deze energie kan vervolgens weer uitgezonden worden als een foton als het elektron terugvalt naar de grondtoeslag of de energie wordt gebruikt in een reactie, zoals bij de fotosynthese in planten.

Spectrofotometer

Omdat de energieverschillen tussen de grondtoestand en aangeslagen toestand heel specifiek zijn, absorbeert (=opnemen) elke stof elektromagnetische straling op een andere manier. Als het absorptiespectrum van een stof gemeten wordt in het zichtbare licht, wordt vaak ook de absorptie van uv-straling gemeten. Deze methode noem je dan uv/vis-spectroscopie genoemd. “Vis” komt van visible (=zichtbaar). De absorptie meet je met een spectrofotometer. Hierbij wordt een vierkante glazen buis, de cuvet, gevuld met een oplossing. De cuvet wordt tussen een lichtbron en een detector geplaatst. (Fig. 10.2.5) De detector meet voor elke golflengte de absorptie. (Fig. 10.2.6)

Figuur 10.2.4: Het opnemen en uitzenden van een foton

waarbij een elektron van de grondtoestand naar de aangesla-gen toestand gaat en weer terug naar de grondtoestand.

Figuur 10.2.5: Een schematische voorstelling van een

(25)

Kwantitatieve analyse

Net als in het voorbeeld van limonade, absorbeert

elk stof meer licht als de concentratie van de

oplossing hoger is. Een glas limonade met meer

siroop heeft een donkerdere kleur en heeft dus

meer licht opgenomen dan een glas limonade met

een lichte kleur.

Om een concentratie te bepalen, wordt eerst een

absorptiespectrum gemaakt van de onderzochte

stof, het monster. Uit dit absorptiespectrum wordt

de golflengte bepaald met de hoogste absorptie.

Hierna wordt de intensiteit van het doorgelaten

licht (I) met deze golflengte gemeten. Ook wordt de

intensiteit van het doorgelaten licht van een blanco

(I

0

) gemeten. Een blanco bevat alle stoffen uit het

monster, op de onderzochte stof na. Op deze

manier is alleen de onderzochte stof

verantwoordelijk voor het verschil in intensiteit.

Door I

0

en I met elkaar te vergelijken kan de

transmissie T uitgerekend worden:

De transmissie is het licht dat doorgelaten wordt.

Meestal wordt niet gemeten hoeveel licht er

doorgelaten wordt, maar juist hoeveel licht er

tegengehouden wordt, de extinctie. De extinctie

kan worden uitgerekend door het negatieve

logaritme van de transmissie te nemen:

Als al het licht doorgelaten wordt is de transmissie

gelijk aan 1 en de extinctie gelijk aan 0.

IJklijn

Als je de concentratie van een oplossing wilt

bepalen, moet je eerst een ijklijn maken. Om een

ijklijn te maken meet je de extinctie van meerdere

standaardoplossingen. Een standaardoplossing is

een oplossing waarvan de concentratie bekend is.

De gemeten extincties zet je vervolgens in een

grafiek tegen elkaar uit met op de x-as de

concentratie en op de y-as de extinctie. Er bestaat

een recht evenredig verband tussen de gemeten

extincties en de concentraties. Om de concentratie

van het monster te bepalen, kan deze afgelezen

worden uit de grafiek. (Fig. 10.2.7)

Figuur 10.2.7: Een ijklijn. De extinctie van de onbekende

oplossing is gemeten op 0.63. Dit komt overeen met een concentratie van 0.189 mol L-1.

Opgaven

3. In de tekst onder “Kwantitatieve analyse”

staat vermeld dat de golflengte met de

hoogste absorptie wordt bepaald. Waarom

denk je dat dit nodig is?

(26)

In deze paragraaf heb je geleerd:

• Wat elektromagnetische straling is

• Dat fotonen elektronen naar een aangeslagen toestand kunnen brengen

• Dat elke stof een verschillend absorptiespectrum heeft • Dat onze ogen de kleuren zien die niet zijn geabsorbeerd • Hoe de concentratie van een oplossing bepaald kan

worden met UV/vis-spectroscopie