Effectiviteit van practica in lessen fysica

EFFECTIVITEIT VAN PRACTICA

IN LESSEN FYSICA

Aantal woorden: 10.223

Tim Vercruysse

Verkorte Educatieve Masterproef (9SP) voorgelegd tot het behalen van de graad van de Educatieve Master in de wetenschappen en technologie.

VOORWOORD

De overstap van een privéwerkgever naar het onderwijs is als burgerlijk ingenieur niet evident maar wel zeer leerrijk. Dat heb ik in het afgelopen jaar als leraar in opleiding aan den lijve mogen ondervinden. Mijn pad naar een job als leerkracht in het secundair onderwijs verloopt via de educatieve masteropleiding van UGent en daarbij hoort dan ook een masterproef.

Ik wilde het nuttige aan het aangename koppelen en koos een onderwerp dat zeer dicht bij mijn eigen achtergrond en leservaring ligt: practica in lessen fysica. Het is genieten om leerlingen vol verwondering de schoonheid van de natuurkunde zelf te laten ontdekken. Practica vragen echter heel wat voorbereiding, dus wil ik graag dat mijn leerlingen er ook effectief veel uit leren.

Ik wil mijn promotor prof. dr. Philippe Smet en mijn copromotor Jouri Van Landeghem bedanken. Zij bakenden mee de scope van deze masterproef af en reikten mij interessante publicaties aan. Ook maakten zij het mogelijk om het zwaartepunt van het werk in de zomer te leggen door zich flexibel op te stellen. Hun feedback heeft de relevantie en het niveau van deze masterproef zeker verhoogd.

Dank je wel aan mijn vader om een eerste versie van dit werk na te lezen.

Mijn echtgenote Zoë las de masterproef in de laatste rechte lijn nog eens helemaal door. Haar grote inspanningen voor ons gezin maakten het voor mij haalbaar om de perfecte storm van afgelopen jaar goed door te komen. Mijn liefde en dankbaarheid zijn dan ook zeer groot.

INHOUDSOPGAVE

Voorwoord 2

Inhoudsopgave 3

Lijst van figuren en tabellen 5

Corona verklaring vooraf 6

Abstract 7 1 Inleiding 8 1.1 Context 8 1.2 Probleemstelling 10 1.3 Onderzoeksvragen 11 2 Literatuurstudie 12 2.1 Methodiek 12

2.2 Classificatie van practica en hun didactiek 12

2.3 Rol van practica in onderwijzen van wetenschappen 14

2.4 Onderzoek naar effectiviteit van practica 16

2.4.1 Analytisch kader 16

2.4.2 Effectiviteit op doeniveau 17

2.4.3 Effectiviteit op leerniveau 17

2.5 Analyse van practica en beoordeling op effectiviteit 20

2.6 Effectiviteit van practica bij studenten 20

3 Onderzoeksdesign 22

3.1 Fase 1: opstellen van instrument met effectiviteitscriteria 22

3.2 Fase 2: selecteren van practica 22

3.3 Fase 3: beoordelen van practica op effectiviteit 22

4 Resultaten 23

4.1 Fase 1: opstellen van instrument met effectiviteitscriteria 23

4.1.1 Eenvoudig model 23

4.1.2 Uitgebreid model 24

4.1.2.1 Effectiviteit van haalbaarheid van leerdoel 25

4.1.2.1.1 Exclusiviteit van leerdoel 25

4.1.2.1.2 Effectiviteit als begripspracticum (leerdoel A) 26 4.1.2.1.3 Effectiviteit als apparatuurspracticum (leerdoel B) 27 4.1.2.1.4 Effectiviteit als onderzoekspracticum (leerdoel C) 28

4.1.2.1.5 Leerdoel na determinatie 29

4.1.2.2 Effectiviteit op doeniveau (niveau 1) 29

4.1.2.2.1 Effectiviteit op doeniveau in domein van observaties (niveau 1:o) 30 4.1.2.2.2 Effectiviteit op doeniveau in domein van ideeën (niveau 1:i) 30

4.1.2.3 Effectiviteit op leerniveau (niveau 2) 32 4.1.2.3.1 Effectiviteit op leerniveau in domein van observaties (niveau 2:o) 32 4.1.2.3.2 Effectiviteit op leerniveau in domein van ideeën (niveau 2:i) 32 4.1.2.4 Effectiviteit in domein van observaties (domein o) 33

4.1.2.5 Effectiviteit in domein van ideeën (domein i) 33

4.2 Fase 2: selecteren van practica 33

4.3 Fase 3: beoordelen van practica op effectiviteit 34

4.3.1 Demonstraties 35 4.3.2 Practica 36 4.3.2.1 Begripspractica (leerdoel A) 38 4.3.2.2 Apparatuurspractica (leerdoel B) 39 4.3.2.3 Onderzoekspractica (leerdoel C) 41 5 Discussie 44 6 Conclusie 46 Literatuurlijst 47 Bijlagen 49

LIJST VAN FIGUREN EN TABELLEN

Tabel 1: Classificatie van practica volgens hun hoofdleerdoel (naar Millar & Abrahams, 2009) 14 Figuur 1: Model van ontwerpproces en evaluatie van practica (naar Abrahams & Millar, 2008) 15 Tabel 2: Analytisch kader voor beoordelen van effectiviteit van practica (naar Abrahams & Millar,

2008) 16

Tabel 3: Hypothetisch algemeen geldende tabel voor berekening van effectiviteitsscore van practica 23

Tabel 4: Vragen bij eerste inschatting van leerdoel 25

Tabel 5: Effectiviteitscriteria voor begripspractica 27

Tabel 6: Effectiviteitscriteria voor apparatuurspractica 27

Tabel 7: Effectiviteitscriteria voor onderzoekspractica 28

Tabel 8: Effectiviteitscriteria op doeniveau in domein van observaties 30 Tabel 9: Effectiviteitscriteria op doeniveau in domein van ideeën 32 Tabel 10: Effectiviteitscriteria op leerniveau in domein van observaties 32 Tabel 11: Effectiviteitscriteria op leerniveau in domein van ideeën 33

Tabel 12: Selectie van practica 34

Tabel 13: Resultaten demonstraties 35

Tabel 14: Samenvatting resultaten demonstraties 36

Tabel 15: Resultaten practica 37

Tabel 16: Samenvatting resultaten practica 37

Tabel 17: Resultaten begripspractica (leerdoel A) 38

Tabel 18: Samenvatting resultaten begripspractica (leerdoel A) 39

Tabel 19: Resultaten apparatuurspractica (leerdoel B) 40

Tabel 20: Samenvatting resultaten apparatuurspractica (leerdoel B) 40

Tabel 21: Resultaten onderzoekspractica (leerdoel C) 42

CORONA VERKLARING VOORAF

In het afgelopen academiejaar brak een wereldwijde coronapandemie uit. Om de verspreiding van COVID-19 in België in te dijken heeft de federale regering verscheidene maatregelen uitgevaardigd. Deze maatregelen hebben nauwelijks invloed gehad op deze masterproef.

De preambule werd in overleg tussen de student, de promotor en de copromotor opgesteld en door alle partijen goedgekeurd.

ABSTRACT

Practica zijn een ingeburgerde werkvorm in lessen fysica. Ze motiveren leerlingen, maar brengen hen niet altijd de beoogde kennis en vaardigheden bij.

Deze verkorte educatieve masterproef stelt een instrument met criteria voor om practica te beoordelen op hun effectiviteit. Het instrument gaat eerst de haalbaarheid van het hoofdleerdoel na en beslaat vervolgens verschillende domeinen en effectiviteitsniveaus.

Het instrument wordt in deze masterproef ook gehanteerd om fysicapractica uit het vierde jaar van het Vlaams secundair onderwijs te beoordelen. Hieruit blijkt dat ze redelijk goed scoren op doeniveau in het domein van de observaties, maar dat er nog progressiemogelijkheden liggen op leerniveau en in het domein van de ideeën.

Dit werk geeft dan ook een aantal concrete aanbevelingen voor practica mee alsook interessante pistes om verder te onderzoeken.

1 INLEIDING

1.1

Context

Fysica is een natuurwetenschap gebaseerd op experimenten, metingen en wiskundige analyses die als doel heeft om kwantitatieve natuurkundige wetten te vinden voor alles gaande van de nanowereld van de microkosmos tot planeten, zonne- en sterrenstelsels van de macrokosmos.1 _{Natuurkundigen observeren dus de werkelijkheid en zoeken naar} fundamentele patronen en wetten. Al eeuwenlang benaderen wetenschappers de realiteit met modellen om zo ook berekeningen te kunnen maken en voorspellingen te kunnen doen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het berekenen van de reikwijdte van een projectiel.

Modellen zijn bij voorkeur zo eenvoudig mogelijk. Vroeger was dit voornamelijk om het rekenwerk te beperken. Met de alsmaar toenemende rekenkracht van computers zijn steeds complexere modellen in gebruik. Toch biedt een eenvoudig model ook nu nog het voordeel dat enkel de belangrijkste parameters aan bod komen. Hierbij wordt de invloed van andere grootheden verwaarloosd. Dit is aanvaardbaar zolang de bekomen resultaten niet te ver afwijken van wat men in de werkelijkheid observeert. Formules en modellen zijn voor de fysica immers waardeloos als ze de werkelijkheid niet weergeven. Fysica speelt zich immers niet louter in het hoofd af, maar gaat over de realiteit.

Stel dat het onderwijzen van fysica zich beperkt tot het doceren van de reeds opgedane kennis, dan kunnen leerlingen oefeningen oplossen a.d.h.v. aangereikte formules. Dit heeft echter een aantal nadelen. Leerlingen gaan formulejagen om oefeningen op te lossen. Vaak zullen ze tot een juiste uitkomst komen, maar door het blindelings toepassen van wetten verliezen ze de voeling met de werkelijkheid. Indien de leerlingen enkel gewapend zijn met formulekennis, zullen ze de fysische concepten die er achter schuilgaan minder goed beheersen. Dit zal er ook toe leiden dat ze in nieuwe situaties de concepten niet herkennen of niet op de juiste manier kunnen toepassen. Misconcepties blijven bestaan en de leerlingen zullen zich geen goed beeld kunnen vormen van realistische waarden van grootheden.

Fysica werkt ruwweg als volgt: uit observaties worden modellen afgeleid en met experimenten worden deze modellen getest. Onderwijs over natuurkunde moet hier een afspiegeling van zijn. Het volstaat niet om wetmatigheden te doceren. De leerkracht bouwt een mate van abstractie op waarbij leerlingen nog steeds de link moeten kunnen leggen tussen een

wiskundige model (met bijhorende formules) en de werkelijkheid. Wetmatigheden kunnen voor een beter begrip tastbaar gemaakt worden met simulaties, demonstraties en practica.

Met een simulatie kan een leerkracht met enkele muisklikken een concept toelichten en daarbij op korte tijd een groot aantal parameters laten variëren. De invloed van elke parameter kan dan aanschouwelijk worden voorgesteld. Dit is een zeer snelle manier van werken, maar het is aan te raden om dit slechts ter aanvulling te gebruiken van demonstraties en practica. Wat je in het echt kan tonen, geniet de voorkeur. Simulaties zijn wel een dankbare werkvorm voor proeven die men om praktische redenen niet in een klaslokaal kan uitvoeren.

In een demonstratie maakt de leerkracht veelal gebruik van een proefopstelling om een fenomeen aan de klas te tonen. Met een onderwijsleergesprek worden de leerlingen geprikkeld om voorspellingen te doen. De observatie kan deze voorspelling bevestigen of tegenspreken. De leerlingen gaan dan bijvoorbeeld in een klasdiscussie op zoek naar de juiste verklaring. Deze ‘Predict-Observe-Explain-structuur’ (White & Gunstone, 1992) blijkt zeer nuttig bij leerlingen die voldoende theoretisch begrip hebben van fenomenen om verifieerbare voorspellingen te doen. De POE-werkvorm daagt leerlingen uit om hun ideeën te expliciteren. Door ze te confronteren met de realiteit helpt de werkvorm om misconcepties op te sporen en bij te sturen.

Bij een practicum gaan leerlingen meestal in kleine groepjes te werk. In vergelijking met de demonstratie kunnen de leerlingen de fenomenen van zeer dichtbij observeren. Dit impliceert daarom nog niet dat ook de werkelijkheid dichterbij komt. De zichtbare resultaten zijn immers afhankelijk van de handelingen en de metingen die de leerlingen zelf uitvoeren. Verder heeft het cognitief conflict, dat bij een demonstratie in POE-werkvorm kan ontstaan, dikwijls een veel diepgaander effect dan een receptmatig practicum.

Practica zijn een essentieel onderdeel van wetenschapsonderwijs. Niet alleen om de wetenschappelijke kennis van leerlingen te ontwikkelen, maar ook om hen al doende kennis over de wetenschappelijke methode bij te brengen. Hou hierbij wel in gedachten dat practica in een schoollaboratorium tot doel hebben leerlingen inzicht te geven in algemeen aanvaarde kennis, terwijl wetenschappers in een onderzoekslaboratorium de grenzen van het gekende aftasten. In die zin zijn practica in een schoolcontext te beschouwen als een communicatiemiddel eerder dan als een wetenschappelijk onderzoek (Millar, 2004).

1.2

Probleemstelling

Voor leerkrachten is het verleidelijk om veel kennis via demonstraties en simulaties aan leerlingen over te brengen. Practica zijn immers tijdrovend en vragen vaak veel voorbereiding. Voor een degelijk practicum is er doorgaans ook veel materiaal nodig om elk groepje leerlingen van een zelfde proefopstelling te voorzien. Het specifieke materiaal wordt in een klasgroep doorgaans slechts één keer per schooljaar gebruikt. Budgetten zijn ook vaak een beperkende factor voor de uitbouw van een groot practicumarsenaal. Toch moet een leerkracht geregeld een practicum durven aanbieden aan de leerlingen. Voor bepaalde onderwerpen kan een goed doordacht practicum de meest aangewezen werkvorm zijn.

Algemeen schrijven leerkrachten practica een centrale rol toe in de aantrekkelijkheid en de effectiviteit van wetenschapsonderwijs. Ze worden gezien als een onmisbaar deel om leerlingen te motiveren en te helpen in het begrijpen van wetenschappen. Leerlingen zouden hierdoor ook beter vatten dat wetenschap gebaseerd is op feiten en dat praktische vaardigheden essentieel zijn bij wetenschappelijk onderzoek. Deze aanname van veel leerkrachten komt echter niet altijd overeenkomt met de realiteit (Abrahams & Millar, 2008).

Practica hebben een situationeel positief effect op motivatie. Dit komt vooral omdat leerlingen eens niet moeten zitten luisteren, maar dat ze ook echt zelf iets mogen doen. Leerlingen ervaren practica als aangenaam in vergelijking met andere wetenschapslessen en -leeractiviteiten. Ze onderschrijven naast de leuke afwisseling ook wel het nut van practica. Het effect om nieuwe begrippen te leren en om inzicht te krijgen in hoe wetenschappen werken is eerder beperkt.

Er bestaat dus een mismatch tussen wat leerkrachten beogen met een practicum en wat leerlingen uit een practicum halen. De effectiviteit van practica kan m.a.w. een stuk hoger. Verschillende onderzoekers definiëren effectiviteit op twee niveaus: doen de leerlingen wat ze moeten doen en leren de leerlingen wat er verwacht wordt dat ze leren (Millar, Tiberghien & Le Maréchal, 2002)? Beide niveaus van effectiviteit kan men evalueren voor het domein van observaties en voor het domein van ideeën (Abrahams & Millar, 2008). Ook het bereiken van het vooropgesteld doel (zowel inhoudelijk als op vlak van onderzoeksvaardigheid) is meer dan het beoordelen waard.

Er is echter geen kant en klaar hulpmiddel voorhanden om een dergelijke evaluatie uit te voeren. Het doel van deze verkorte educatieve masterproef is dan ook drieledig. Vooreerst wil ik een bruikbaar instrument opstellen waarmee practica op hun effectiviteit beoordeeld kunnen

worden. Vervolgens wil ik met dit hulpmiddel een beeld vormen van de kwaliteit van practica in de lessen fysica in het vierde jaar van het Vlaams secundair onderwijs. Tot slot wil ik de pijnpunten blootleggen en aangeven waar er nog ruimte is om aan effectiviteit te winnen.

Gezien de verkorte educatieve masterproef een beperkte omvang heeft, zal ik in mijn evaluatie enkel rekening houden met de vorm en de inhoud van de opdracht. Hoe leerkrachten het practicum naar voor brengen en bijsturen en hoe leerlingen het practicum uitvoeren en verwerken en welk leereffect ze hiermee behalen, vallen buiten de scope van deze masterproef.

1.3

Onderzoeksvragen

Bovenstaande probleemstelling leidt tot de volgende onderzoeksvragen:

- Welke criteria moeten opgenomen worden in een instrument om practica op een correcte manier op hun effectiviteit te kunnen beoordelen?

- Hoe kwalitatief zijn practica in de lessen fysica in het vierde jaar van het Vlaams secundair onderwijs?

2 LITERATUURSTUDIE

2.1

Methodiek

In deze literatuurstudie wordt nagegaan wat er over de effectiviteit van practica in lessen fysica reeds geweten is. Het vertrekpunt van dit onderzoek is (Abrahams & Millar, 2008). Via snowballing zullen andere relevante publicaties uit de databank van Google Scholar1 _ontleed

worden. Hoewel Ian Abrahams en Robin Millar hier al jarenlang uitvoerig onderzoek naar gedaan hebben, blijft het verruimend voor deze masterproef om ook invalshoeken van andere auteurs erbij te betrekken.

Het doel van de literatuurstudie is om de conclusies uit de publicaties samen te vatten. Hierbij zoek ik een antwoord op volgende vragen: Wat zorgt ervoor dat een practicum effectief iets bijbrengt aan de leerlingen? Aan welke kenmerken moet een practicum voldoen zodat leerlingen hier optimaal van kunnen leren?

2.2

Classificatie van practica en hun didactiek

Al decennia lang wordt er onderzoek gevoerd naar de effectiviteit van practica. De literatuurstudie van (Van den Berg & Buning, 1994) concludeert enerzijds dat practica beter zijn in het leren gebruiken van apparatuur dan andere lesmethoden en dat ze kunnen leiden tot betere motivatie bij leerlingen (maar dit vertaalt zich niet noodzakelijk in betere prestaties). Anderzijds vonden ze dat practica in vergelijking met andere methoden niet beter zijn in het aanleren van theorie of begrippen en noch in het leren onderzoeken. In de samenvattende conclusie van hun literatuurstudie bieden de auteurs toch perspectief door te stellen dat practica wel degelijk hun waarde hebben, maar dat ze vaak verkeerd worden toegepast. Met de juiste didactiek kunnen ze wel betere resultaten opleveren dan andere lesmethoden.

In (Van den Berg & Buning, 1994) onderscheidt men drie verschillende soorten practica: het apparatuurspracticum (of vaardigheidspracticum), het onderzoekspracticum en het begripspracticum. Elke soort heeft zijn eigen doelen en vereist dan ook een verschillende didactiek.

Een apparatuurspracticum moet leerlingen vaardig maken in het werken met instrumenten. De instructies zijn hierbij receptmatig in die zin dat de voorschriften en aanwijzingen heel duidelijk moeten zijn.

In een onderzoekspracticum leren leerlingen logischerwijs onderzoeken. Het gaat hierbij om cognitieve vaardigheden m.b.t. het verwerven en toetsen van kennis. Volgens (Van den Berg & Buning, 1994) vereist dit soort practica vrijheid voor de leerling om keuzes te maken in het opzet van experimenten. Er moet ook ruimte zijn voor discussie tussen leerlingen onderling en met de leerkracht. De auteurs poneren wel dat een leerkracht in een onderzoekspracticum slechts in beperkte mate hulp mag bieden aan leerlingen zodat het cognitieve niveau van de taken op een aanvaardbaar niveau blijft.

Een practicum ter ondersteuning van begripsontwikkeling zou uit een uitgekiende serie activiteiten moeten bestaan. Een POE-les waarbij een aantal hands on-activiteiten is ingebouwd, is hier een goed voorbeeld van. Bij deze derde practicumsoort vertrekt men van de leerlingenideeën en -intuïties en bouwt men zorgvuldig een begrip op. Het proces bestaat hier bij voorkeur uit een gestructureerde benadering gecombineerd met een open interactie tussen leerlingen en leerkracht. Een goed begripspracticum speelt in op misconcepties bij leerlingen en poogt deze blijvend weg te werken.

Hoewel vaardigheidspracticum in (Van den Berg & Buning, 1994) als synoniem geldt voor apparatuurspracticum, bedoelt men voornamelijk de vaardigheid om meetinstrumenten te leren hanteren of om procedures correct te kunnen volgen. Over de drie practicasoorten heen, kunnen vaardigheden van uiteenlopende aard zijn. De website van big ideas, great stem1 schetst een kader voor het stem-onderwijs en onderscheidt volgende acht vaardigheden in een practicum:

- vragen stellen en problemen definiëren - onderzoek plannen en uitvoeren - data analyseren en interpreteren

- argumenteren op basis van bewijsmateriaal - wiskundig en computationeel denken - modellen gebruiken en ontwikkelen

- verklaringen geven en oplossingen bedenken - informatie verzamelen, evalueren en communiceren

Deze vaardigheden verwerven vraagt veel oefening.

Van den Berg en Buning stellen nadrukkelijk voor om een practicum zodanig in te richten dat het duidelijk tot één van de drie soorten behoort. Men kan op die manier de juiste aanpak hanteren. Pas in de derde graad van het secundair onderwijs is het aangewezen de drie soorten voor het eerst geïntegreerd aan bod te laten komen en op die manier meerdere doelen in één practicum te verenigen.

Het is vaak ook effectiever om je binnen één practicum met één duidelijk hoofddoel te beperken tot de twee of drie belangrijkste nevendoelen (en deze ook duidelijk te formuleren) i.p.v. alles tegelijk te willen bereiken. Van den Berg en Buning adviseren de leerkrachten om voor elk practicum enkele vragen te formuleren en die tijdens het practicum aan de leerlingen te stellen. Dit helpt in het focussen van het practicum op enkele hoofdzaken, zowel voor leerkracht als voor leerlingen.

Omwille van apparatuurschaarste voeren leerlingen practica vaak in groepjes uit. Het gevaar bestaat dat sommige leerlingen zich dan als ‘notulist’ gedragen. Ze denken dan niet actief mee en doen bijgevolg niet de beoogde kennis op. Om dit te voorkomen is het aangewezen om leerlingen af en toe ook individueel practica te laten uitvoeren of om ze individueel te beoordelen. De evaluatie moet hierbij zoals steeds gekoppeld zijn aan de doelstellingen.

In (Abrahams & Millar, 2009) komt een zeer gelijkaardige classificatie van practica aan bod. Practicumactiviteiten worden er volgens hun belangrijkste leerdoel ingedeeld in drie klassen. Deze zijn weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1: Classificatie van practica volgens hun hoofdleerdoel (naar Millar & Abrahams, 2009)

Klasse Het hoofddoel van het practicum is…

A …om leerlingen te helpen bij de ontwikkeling van hun kennis over de wereld en van hun inzicht in enkele ideeën, theorieën en modellen die de wetenschap gebruikt om dit uit te leggen.

B … om leerlingen te helpen om wetenschappelijke instrumenten te gebruiken en om standaard wetenschappelijke procedures te volgen.

C … om inzicht te ontwikkelen bij leerlingen over wetenschappelijk onderzoek.

2.3

Rol van practica in onderwijzen van wetenschappen

Robin Millar is ervan overtuigd dat practica van groot nut kunnen zijn binnen wetenschapsonderwijs (Millar, 2004). Om aan te geven waarin practica hun strepen verdienen,

maakt ze een onderscheid tussen effectiviteit van practica op twee niveaus. Op het eerste niveau gaat men na of de leerlingen effectief doen wat de leerkracht bedoeld heeft. (Voeren de leerlingen de voorgeschreven taken op een correcte manier uit?) Op het tweede niveau bekijkt men of leerlingen effectief leren wat de leerkracht voor ogen had. (Wordt het beoogde doel bereikt?) Beide niveaus van effectiviteit staan weergegeven in Figuur 1. De twee niveaus van effectiviteit zijn voor het eerst gebruikt in het Europese Labwork in Science Education

Project (Millar, Tiberghien & Le Maréchal, 2002).

Een fundamenteel doel van practica is om leerlingen verbanden te laten leggen tussen de echte wereld van voorwerpen, materialen en fenomenen en de abstracte wereld van gedachten en ideeën (Tiberghien, 2000). Naast het onderscheid tussen twee niveaus van effectiviteit maken Abrahams en Millar dus ook onderscheid tussen twee verschillende domeinen: het domein van de observaties en het domein van de ideeën. Practica die heel sterk betrokken zijn bij het ideeëndomein vragen significant meer denkwerk van leerlingen in vergelijking met practica die van leerlingen enkel vragen om observaties te doen en te onthouden. (Leach & Scott, 1995).

(Millar, 2004) gaat dieper in op het bijbrengen van practica tot inzicht in wetenschap. Er blijkt dat een meer open vraagstelling de latente kennis van leerlingen op het vlak van wetenschappelijk onderzoek beter helpt ontwikkelen. Het is echter moeilijk te beargumenteren dat deze vorm van kennis nodig is voor wetenschappelijke geletterdheid van alle leerlingen. Voor wie later verder studeert in een wetenschappelijke richting is dit ontegensprekelijk waardevol. Pogingen om onderzoekende practica te integreren in leerplannen van een bredere groep leerlingen resulteerden in Engeland echter in practica die ontgoochelend anders

Figuur 1: Model van ontwerpproces en evaluatie van practica (naar Abrahams & Millar, 2008)

A Wat leerlingen moeten leren. (objectieven van de leerkracht)

B Wat leerlingen moeten doen. (voorgeschreven handelingen)

C Wat leerlingen effectief doen.

D Wat leerlingen effectief leren. Effectiviteit

niveau 1 Effectiviteit

uitdraaiden dan oorspronkelijk bedoeld. Voor veel leerlingen werkte dit eerder verwarrend dan verhelderend.

2.4

Onderzoek naar effectiviteit van practica

2.4.1

Analytisch kader

(Abrahams & Millar, 2008) handelt over een onderzoek naar de effectiviteit van practica in Engelse scholen bij leerlingen tussen 11 en 16 jaar. Hierbij worden met practica activiteiten bedoeld waarbij leerlingen zelf objecten en materialen manipuleren en observeren. Het betreft naast fysica ook practica in chemie en biologie. De auteurs stellen een kader op om de effectiviteit van concrete voorbeelden van practica te kunnen beoordelen. Het combineren van het model met twee niveaus van effectiviteit (Millar, Tiberghien & Le Maréchal, 2002) en het model met twee domeinen van kennis (Tiberghien, 2000), leidt tot een analytisch kader om de effectiviteit van een gegeven practicum te kunnen beoordelen. Dit kader staat weergegeven in Tabel 2.

Tabel 2: Analytisch kader voor beoordelen van effectiviteit van practica (naar Abrahams & Millar, 2008)

Effectiviteit Domein van observaties (o) Domein van ideeën (i) Een practicum is effectief op niveau 1 (‘doeniveau’)…

… als de leerlingen met de voorwerpen uitvoeren wat de leerkracht voor ogen had en als ze de gegevens genereren die de leerkracht beoogde.

… als de leerlingen tijdens het uitvoeren van taken nadenken over hun handelingen en observaties en als ze hierbij gebruik maken van de ideeën die de leerkracht beoogde. Een practicum is

effectief op niveau 2 (‘leerniveau’)…

… als de leerlingen onthouden wat ze met voorwerpen gedaan hebben, welke observaties ze waargenomen hebben tijdens het uitvoeren van het practicum en wat de belangrijkste kenmerken van de verzamelde gegevens waren.

… als de leerlingen later inzicht kunnen tonen in de ideeën die ze in het practicum geleerd hebben.

Abrahams en Millar observeerden voor hun onderzoek 25 wetenschapspractica in acht verschillende Engelse scholen. Ze noteerden hun bevindingen per cel van de matrix uit Tabel 2.

2.4.2

Effectiviteit op doeniveau

Hieruit bleek dat de effectiviteit van de practica op doeniveau in het domein van de observaties (niveau 1:o) in de meeste gevallen hoog lag. Dit is voornamelijk te danken aan het feit dat veel practica uitvoerig zijn opgesteld in receptstijl waarbij elke handeling beschreven staat. Leerkrachten gaven aan deze stijl te hanteren om het practicum te kunnen afronden binnen een lesuur. Aangezien de effectiviteit van practica in de andere drie cellen van Tabel 2 afhangen van de effectiviteit van niveau 1:o, is het belangrijk dat deze hoog ligt. Dit mag echter niet het enige doel van een practicum zijn.

Het behalen van voldoende effectiviteit op het doeniveau in het domein van de ideeën (niveau 1:i) werd veel minder gerealiseerd. Het is voor leerlingen niet eenvoudig om in wetenschappelijke termen na te denken over handelingen. In tegenstelling tot directe waarnemingen tonen gedachten zich niet expliciet aan de zintuigen van de leerlingen. Er is bijkomende mentale actie vereist. De leerkracht kan de leerlingen ondersteunen in hun gedachtegang door het toepassen van zogenaamde scaffolding (Wood et al., 1976). Door in kleine stapjes een stelling op te bouwen helpt de leerkracht om de leerling de volledige redenering te laten maken.

Uit het onderzoek kwam niet veel evidentie naar voor waaruit bleek dat leerlingen over de observaties nadachten zoals de leerkracht bedoeld had. De leerlingen bleken nog niet goed vertrouwd met de ideeën die de leerkracht voor ogen had om met dit practicum aan de leerlingen bij te brengen. Abrahams en Millar bevelen aan dat leerkrachten tijdens practica zoveel mogelijk kansen moeten grijpen om klassikaal duiding te geven, ook al vraagt dit veel tijd. Ze hoeven niet te wachten tot de volgende les om concepten uit te leggen. Om dit voor leerlingen bevattelijker te maken kan het helpen om gebruik te maken van vergelijkingen met zaken uit het dagelijks leven van de leerlingen.

2.4.3

Effectiviteit op leerniveau

Naast de effectiviteit op doeniveau onderzochten Abrahams en Millar ook de effectiviteit op leerniveau. Dit deden ze voornamelijk a.d.h.v. interviews met studenten (een tijdje) na het geobserveerde practicum. De effectiviteit op leerniveau in het domein van de observaties (niveau 2:o) bleek slechts in bepaalde gevallen aanwezig. De taken waarover leerlingen nadien konden vertellen waren op de één of andere manier ongewoon. Ze bleven bij omdat er visueel of auditief iets spectaculairs waar te nemen viel of omdat de context of de manier van voorstellen anders was dan een ordinaire klassetting. Zo kunnen leerlingen zich goed rollenspelen herinneren. Handelingen die leerlingen zelf mochten doen blijven ook beter bij

dan demonstraties en simulaties. Dit biedt echter zelden een anker voor de wetenschappelijke ideeën achter het practicum.

Het laatste niveau is niveau 2:i. Hierbij werd de effectiviteit op leerniveau in het domein van de ideeën bestudeerd. Ook dit werd onderzocht a.d.h.v. leerlingeninterviews achteraf. Hoewel veel leerlingen zich konden herinneren wat zij gedaan hadden, kon niemand de wetenschappelijke ideeën erachter terug bovenhalen.

Abrahams en Millar concluderen dat wetenschapspractica in Engelse middelbare scholen voor leerlingen tussen 11 en 16 jaar nog heel wat kunnen winnen aan effectiviteit. Er is nog een weg te gaan om leerlingen de wetenschappelijke methode bij te brengen. Voornamelijk in het domein van de ideeën zien de auteurs progressie mogelijk. Een concrete planning van hoe leerlingen ideeën kunnen leren uit wat ze observeren ontbreekt vaak. In veel gevallen was er weinig tijd voorzien om de leerlingen te ondersteunen in het ontwikkelen van ideeën.

De studie suggereert dat wetenschapspractica significant kunnen verbeteren in effectiviteit als leerkrachten erkennen dat verklarende ideeën niet automatisch ontstaan uit observaties, hoe begeleid en afgebakend ze ook zijn. Het idee dat dit wel spontaan gebeurt, wordt de denkfout

van inductie genoemd (Driver, 1983). Een belangrijke rol van practica is leerlingen helpen om

verbanden te leggen tussen observaties en ideeën. Hiervoor moeten de ideeën wel geïntroduceerd worden. Dit gebeurt bij voorkeur al tijdens het practicum. Leerkrachten moeten zich bewust zijn van het feit dat practica waarin leerlingen verbanden moeten leggen tussen de domeinen van objecten en van ideeën veel vergen van leerlingen. Practica moeten meer dan nu het geval is nadruk leggen op het leren dan op het doen. Leerkrachten zullen hiervoor een groter deel van de lestijd moeten wijden aan het helpen van leerlingen om ideeën te ontwikkelen bij hun waarnemingen.

(Millar & Abrahams, 2009) geeft voornamelijk een samenvatting van (Abrahams & Millar, 2008). Hierin komen dezelfde modellen terug en bevestigen de auteurs dat effectiviteit op niveau 2 moeilijk te beoordelen of te meten valt. Ze geven aan dat eerst bepaald dient te worden of men geïnteresseerd is in bewijs van leren op korte of op middellange tot lange termijn. Ze erkennen dat leren, als dat zich voordoet, met een grote waarschijnlijkheid het gevolg is van een reeks lesactiviteiten waarvan het practicum er slechts één is.

Wil men practica effectiever maken in het ontwikkelen van het begrip van leerlingen in wetenschappelijke ideeën, dan moet het minds on-aspect meer aan bod komen dan nu het geval is. Bij de onderzochte practica neemt het hands on-aspect de bovenhand. Voor taken in

het ideeëndomein hebben leerlingen ondersteuning nodig om ideeën te ontwikkelen. Taken met ingebouwde scaffolding zijn daarom effectiever in het aanleren van kennis. Merk op dat (Millar & Abrahams, 2009) met zijn uitgesproken voorkeur voor een aanzienlijke hoeveelheid hulp van de leerkracht er toch een ander idee op na houdt dan (Van den Berg & Buning, 1994). Tussenkomst van de leerkracht kan volgens Van den Berg en Buning, maar deze moet minimaal blijven.

Een duidelijke identificatie van de leerdoelen maakt volgens (Millar & Abrahams, 2009) practica effectiever op het niveau van leren. Practica zouden zodanig moeten ontworpen zijn dat ze leerlingen begeleiden in hun denken over hun eigen handelingen en hun eigen verkregen data op een manier die de leerkracht bedoeld heeft.

(Millar, 2009) stelt een aantal vragen voorop waarmee de presentatie van een practicum beoordeeld kan worden:

- Hoe zijn het doel en het verloop van het practicum gecommuniceerd naar de leerlingen?

- Zijn er klasdiscussies vóór, tijdens en na het practicum? - Welke schriftelijke neerslag moeten de leerlingen maken?

(Holmes & Wieman, 2018) concludeert dat leerlingen de tijd moeten krijgen om te reflecteren en om hun experiment iteratief te verbeteren, willen ze er ook echt iets uit leren. Als belangrijke factor voor de effectiviteit van een practicum op leerniveau komt in (Abrahams & Millar, 2008) eveneens de tijd naar voor. Ze stellen dat er voldoende lestijd voorzien moet zijn voor het ontwikkelen van ideeën. De leerkracht moet ook voldoende lestijd spenderen aan het helpen van leerlingen om ideeën te ontwikkelen bij hun waarnemingen. Volgens (Millar, 2004) kan de nodige tijd zelfs in de voorbereiding van het practicum liggen. Als er op voorhand een expliciete strategie duidelijk is waarbij leerlingen van in het begin gestimuleerd worden om na te denken, dan zullen ze tijdens het practicum vragen kunnen beantwoorden waaraan ze al aan het denken waren.

De klassikale duiding van de leerkracht is voor (Abrahams & Millar, 2008) een tweede belangrijke factor voor de effectiviteit van een practicum op leerniveau. Ze suggereren dat een leerkracht hiervoor een concrete planning moet hebben die bepaalt hoe leerlingen ideeën kunnen leren uit wat ze observeren. De duiding en scaffolding van de leerkracht helpen hen om verbanden te leggen tussen de twee domeinen van kennis. Als de nadruk ligt op het leren eerder dan op het doen, dan kunnen nieuwe ideeën geïntroduceerd worden tijdens het practicum.

(Holmes & Wieman, 2018) ten slotte duidt op het belang van de mate waarin leerlingen worden aangemoedigd om zelf na te denken. Dit kan je bekomen door hen bijvoorbeeld enkele van volgende zaken te vragen:

- hypothese formuleren

- hypothese testen door gegevens te verzamelen

- uitzoeken hoe men de kwaliteit van gegevens kan verbeteren - gegevens gebruiken om de geldigheid van modellen te valideren - selecteren van geschikte criteria voor een dergelijke evaluatie - vinden van kwalitatieve en kwantitatieve patronen in fenomenen - voorstellen van meerdere modellen of verklaringen

- experimenten ontwerpen en uitvoeren om modellen te testen - aannames en onzekerheden beoordelen

- gegevens en bewijzen op een correcte manier voorstellen - vergelijkingen maken tussen onzekere metingen

- …

2.5

Analyse van practica en beoordeling op effectiviteit

In (Millar, 2009) stelt men een hulpmiddel voor om practica te analyseren en te beoordelen op hun effectiviteit. In de inleidende paragrafen worden de belangrijkste conclusies van eerder gevoerd onderzoek herhaald. De drie kerngedachten die Millar benadrukt zijn de volgende:

- Practica zijn heel divers. De effectiviteit van practica moet je dus individueel beschouwen.

- Het startpunt voor het analyseren van een practicum is het beoogde leerdoel.

- De manier waarop een practicum ontwikkeld is en naar voor gebracht wordt, heeft een significante invloed op de omvang van het bereikte leerdoel.

Deze kerngedachten leiden tot de ontwikkeling van twee versies van een analyse-inventaris

van practica. Hierbij komen volgende aspecten aan bod: leerdoelen, ontwerp, presentatie en

leereisen. De versie uit Appendix 1 van de publicatie voegt nog een vijfde aspect toe omtrent de effectiviteit van het practicum op doe- en leerniveau. De versie uit Appendix 2 van Millar, 2009 heeft dit aspect van effectiviteit niet, maar laat wel toe om tot tien practica met elkaar te vergelijken.

2.6

Effectiviteit van practica bij studenten

(Holmes & Wieman, 2018) stelt dat practica effectief zijn in het onderwijzen van experimenteel onderzoek, maar dat practica minder geschikt zijn om ideeën uit theoretische lessen te

versterken. De auteurs nuanceren dit wel onmiddellijk door te vermelden dat de geobserveerde practica weinig hersenactiviteit van de leerlingen vergden.

De practica waarvan sprake in deze publicatie kaderen in zogenaamde inleidende cursussen die studenten voorbereiden op geavanceerdere cursussen aan universiteiten in de Verenigde Staten van Amerika. Niettegenstaande het feit dat leerlingen uit de tweede of derde graad van het secundair onderwijs, gezien hun leeftijd, nog meer begeleiding nodig hebben dan de beschouwde studenten uit het onderzoek, zijn de resultaten toch relevant.

Uit verschillende vermelde onderzoeken blijkt dat er geen significant voordeel te halen valt uit practica als het gaat over het beter vatten van ideeën. Om te begrijpen waarom de onderzochte practica er niet beter in slagen dan andere lesmethoden om studenten te helpen in hun kennisontwikkeling, keken de onderzoekers naar het denken van de studenten. De auteurs geven als belangrijkste reden aan dat studenten te weinig aangemoedigd worden om zelf na te denken. In receptmatige practica is het meeste denkwerk op voorhand al in hun plaats gedaan. Veel docenten gaan er immers verkeerdelijk van uit dat studenten een gelijkaardig denkproces doormaken zoals dit oorspronkelijk bedoeld was. Een open vraagstelling geniet de voorkeur, al is het onduidelijk bij welk niveau dit optimaal is. In elk geval moeten studenten in effectieve practica de kans krijgen om zelf beslissingen te kunnen nemen.

Daarnaast moeten ze ook voldoende tijd krijgen om te kunnen reflecteren over hun beslissingen en hun resultaten en om iteratief het experiment te kunnen verbeteren. Dit kan betekenen dat een practicum over meerdere lesuren gespreid dient te worden.

De publicatie bespreekt verder nog twee concrete soorten practica (SQILabs en ISLE labs) waarin het doel niet langer is om wetenschappelijke inhoud aan te leren, maar wel om belangrijke aspecten van het fysisch denken bij te brengen. Beide soorten leggen de focus op wetenschappelijk onderzoek als iteratief proces. Studenten moeten niet alleen zoeken naar verklaringen voor waargenomen fenomenen, ze moeten ook herhaaldelijk proefopstellingen opzetten om hun verklaringen af te toetsen. Om procesvaardigheden te leren is het belangrijk dat er voldoende begeleiding is zonder dat deze het denken van de studenten beperkt. Bij een goede balans tussen interventies van de docent en het vrijlaten van de creativiteit van de studenten, ervaren deze laatsten de meeste arbeidsvreugde en motivatie. De zorgvuldig geselecteerde hoofddoelen moeten hierbij wel realistisch zijn.

3 ONDERZOEKSDESIGN

In Hoofdstuk 2 staat een overzicht van wat er in de literatuur reeds terug te vinden is over de effectiviteit van practica. De opgedane kennis wordt in dit onderzoek gebruikt om na te gaan hoe effectief practica in de lessen fysica zijn en op welke vlakken practica uit het Vlaams secundair onderwijs nog kunnen verbeteren.

Het onderzoek verloopt in drie fasen. In een eerste fase heb ik aansluitend bij de literatuurstudie een lijst opgesteld van criteria m.b.t. de effectiviteit van practica. In de daaropvolgende fase selecteer ik practica die ik van naderbij wil bekijken. In de derde fase ga ik deze aftoetsen aan de vooropgestelde criteria.

De bekomen resultaten van het onderzoek uit Hoofdstuk 4 worden in Hoofdstukken 5 en 6 verder besproken.

3.1

Fase 1: opstellen van instrument met effectiviteitscriteria

De conclusies uit de literatuurstudie leiden tot een lijst van criteria als hulpmiddel om practica op hun effectiviteit te kunnen beoordelen. De criteria zijn zodanig opgesteld dat er telkens een score kan toegekend worden. De effectiviteit is m.a.w. meetbaar.

3.2

Fase 2: selecteren van practica

Het selecteren van practica is de tweede fase in het onderzoek. Op KlasCement1 _{staat een} groot aantal practica fysica uit het Vlaams secundair onderwijs. Aangezien ik het afgelopen schooljaar les heb gegeven aan twee klassen uit het vierde jaar aso, beperk ik mij tot practica die handelen over leerstof uit dit leerjaar.

3.3

Fase 3: beoordelen van practica op effectiviteit

In de derde fase worden de geselecteerde practica uit fase twee beoordeeld op hun effectiviteit a.d.h.v. het instrument met criteria uit fase één.

4 RESULTATEN

4.1

Fase 1: opstellen van instrument met effectiviteitscriteria

4.1.1

Eenvoudig model

In Paragraaf 2.4.1 is uitgebreid ingegaan op het analytische kader van (Abrahams & Millar, 2008). Ondanks het feit dat de vier cellen van dit analytische kader uit Tabel 2 niet onafhankelijk zijn, biedt het toch een handige houvast om concrete voorbeelden van practica stapsgewijs te analyseren naar hun effectiviteit.

Voor elk van de vier cellen zou ik een vijftal criteria kunnen opstellen a.d.h.v. de literatuurstudie. Aan elk criterium kan dan een score van 0 (= helemaal niet effectief) tot 5 (= zeer effectief) worden toegekend. Zoals weergegeven in Tabel 3 levert sommeren van de cijfers een score op per cel, per niveau en per domein alsook een totaalscore voor het volledige practicum.

Tabel 3: Hypothetisch algemeen geldende tabel voor berekening van effectiviteitsscore van practica

Effectiviteit Domein van observaties (o) Domein van ideeën (i) Totaal Op niveau 1 (doeniveau) - Criterium 1: … - … - Criterium 5: … . /25 - Criterium 6: … - … - Criterium 10: … . /25 . /50 Op niveau 2 (leerniveau) - Criterium 11: … - … - Criterium 15: … . /25 - Criterium 16: … - - Criterium 20: … . /25 . /50 Totaal . /50 . /50 . /100

Een instrument volgens bovenstaand kader blijkt echter onvolledig. Veel eigenschappen van practica zijn niet per se goed of slecht. De effectiviteit hangt immers heel nauw samen met het vooropgestelde doel van het practicum. Zo kunnen receptmatige instructies of extra duiding van een leerkracht in een bepaald practicum de leerlingen zinvol vooruit helpen, terwijl ze in een ander practicum het denken van de leerlingen net lamleggen (Holmes & Wieman, 2018). Het is dus niet mogelijk om een betekenisvolle objectieve effectiviteitsscore van een practicum te bekomen, door enkel en alleen te steunen op een algemene geldende scoretabel zoals in Tabel 3 is voorgesteld.

(Van den Berg & Buning, 1994) beveelt sterk aan om een practicum in te delen bij één van volgende drie soorten: apparatuurspracticum, onderzoekspracticum of begripspracticum. Elk heeft zijn eigen concrete doelstellingen en heeft dus nood aan een andere aanpak. Het is dan ook aangewezen om (minstens een deel van) de effectiviteitscriteria afhankelijk te maken van het soort practicum.

In (Millar & Abrahams, 2009) komt dit idee ook naar voor. Tabel 1 toont hoe zij de practica indelen in drie klassen naar het belangrijkste leerdoel. Klasse A (illustreren van ideeën om kennis te ontwikkelen) komt aardig overeen met begripspractica, klasse B (leren werken met meetapparatuur en inoefenen van wetenschappelijk procedures) is nauw verwant met apparatuurspractica en klasse C (inoefenen van het wetenschappelijk onderzoeksproces) valt zo goed als samen met onderzoekspractica. Millar herhaalt in haar individueel werk (Millar, 2009) niet alleen deze classificatie, maar stelt ook uitdrukkelijk dat het leerdoel het startpunt van het analyseren van practica moet zijn. De leerdoelen moeten expliciet en duidelijk zijn. In het uitgebreid model zullen de volgorde en de toegekende letters van (Millar, 2009) aangehouden worden, maar zullen de Nederlandstalige termen uit (Van den Berg & Buning, 1994) gehanteerd worden.

4.1.2

Uitgebreid model

Een instrument volgens het eenvoudige model uit Paragraaf 4.1.1 is onvoldoende accuraat. Er is nood aan een instrument dat een betere inschatting maakt van de effectiviteit zonder dat het achterliggende model al te complex wordt. Het moet immers nog steeds praktisch bruikbaar blijven. Het instrument volgens uitgebreid model zal eerst beoordelen in welke mate een practicum erin slaagt om één vooraf gekozen hoofddoel na te streven en te bereiken. Vervolgens is het instrument opgebouwd zoals volgens het eenvoudige model waarbij criteria per cel van het analytische kader worden geformuleerd.

In de appendices van (Millar, 2009) staan twee versies van inventarissen om practica op een systematische manier te beoordelen. De ene peilt voor één practicum o.a. naar de effectiviteit, met de andere versie kan je tot tien practica met elkaar vergelijken op vlak van inhoud. De sterkte van het tweede model van Millar ligt in het feit dat het een handig overzicht geeft om over verschillende practica heen voldoende variatie in leerdoelen en handelingen aan bod te laten komen. Het instrument uit deze masterproef tracht om beide versies te verenigen en wil toelaten practica ook op vlak van effectiviteit met elkaar te kunnen vergelijken. Zo krijg je snel een duidelijk beeld van welke practica nog aan effectiviteit kunnen winnen en aan welke deelaspecten je hiervoor best sleutelt om dit te bewerkstelligen.

Het instrument volgens het uitgebreide model in deze masterproef wil zo volledig mogelijk zijn, zodat het ook voor toekomstig onderzoek zijn nut kan bewijzen. Om over practica heen scores zo objectief mogelijk toe te kennen, is een rubriek voorzien in het rekenblad. Dit uitgeschreven hulpmiddel bij het toekennen scores is ook terug te vinden in bijlage. Sommige criteria zijn echter moeilijk correct te beoordelen op basis van enkel de neergeschreven practicuminstructies. De scores van deze criteria zijn in het rekenblad en in deze masterproef in het blauw aangeduid. Ze zijn in het kader van deze masterproef niet in de berekeningen opgenomen. Het instrument zal nauwkeurigere resultaten opleveren indien men in verder onderzoek ook deze criteria beoordeelt a.d.h.v. observaties en interviews. Aan elke vraag of elk criterium kent men een score toe gaande van 0 (= helemaal niet) tot 5 (= in zeer grote mate). Scores die op basis van vorm en inhoud van een practicum wel kunnen gegeven worden, zijn in het geel aangeduid.

4.1.2.1 Effectiviteit van haalbaarheid van leerdoel 4.1.2.1.1 Exclusiviteit van leerdoel

Het uitgebreide instrument vangt aan met een eerste inschatting van het hoofddoel van het practicum. Hiervoor dient men de drie vragen uit Tabel 4 te beantwoorden met een score op 5. Bij elke vraag staat het bijhorende soort practicum tussen haakjes vermeld.

Tabel 4: Vragen bij eerste inschatting van leerdoel

1.1 Exclusiviteit van leerdoel . /5

In welke mate heeft het practicum tot doel om leerlingen…

… kennis en begrip bij te brengen over de natuurlijke wereld? (begripspracticum) . /5 … vertrouwd te maken met het gebruik van meetinstrumenten of met het volgen van

standaardprocedures? (apparatuurspracticum) . /5

… inzicht bij te brengen over de wetenschappelijke benadering van onderzoek?

(onderzoekspracticum) . /5

De leerdoelen moeten duidelijk geïdentificeerd zijn (Millar & Abrahams, 2009). Effectieve practica zijn zo ontworpen dat het hoofddoel sterk belicht wordt doordat men de ruis van eventuele nevendoelen filtert. Het aantal leerdoelen blijft zo gelimiteerd per practicum (Millar, 2004).

Het rekenblad identificeert het doel met de hoogste score als eerste inschatting van het hoofddoel van het practicum. Het soort practicum dat hierbij aansluit verschijnt automatisch samen met een globale score op 5. Deze wordt berekend als het product van 5 met de hoogst

toegekende score gedeeld door de som van de drie individuele scores. Hoe hoger deze globale score, hoe duidelijker het hoofddoel bepaald is, wat de effectiviteit van een practicum in de tweede graad van het secundair onderwijs ten goede komt.

Per leerdoel staat vervolgens een aantal effectiviteitscriteria opgelijst en worden de toegekende scores uitgemiddeld. Het rekenblad berekent ook een totaalscore voor de effectiviteit van de haalbaarheid van het leerdoel. Voor deze totaalscore worden de totalen per soort practicum gewogen met de scores uit Tabel 4. Het heeft voor de totaalscore dus enkel zin om de criteria van een doel te beoordelen indien de score voor dit doel in Tabel 4 verschillend is van 0. Het is m.a.w. perfect mogelijk om een goede eindscore voor de effectiviteit van het kunnen bereiken van het leerdoel te bekomen door op slechts één leerdoel in te zetten. Dit rekeninstrument is dus in overeenstemming met de bevindingen uit de literatuur.

4.1.2.1.2 Effectiviteit als begripspracticum (leerdoel A)

Bij een begripspracticum is het belangrijkste leerdoel om bij leerlingen kennis en begrip te ontwikkelen over de wereld. Dit soort practica is m.a.w. gericht op de ideeën van leerlingen. Hoewel Holmes en Wieman concludeerden dat practica niet effectief zijn in het onderwijzen van wetenschappelijke kennis op zich (Homes & Wieman, 2018), kunnen practica wel degelijk bijdragen tot concept- en begripsontwikkeling. Dit gebeurt het best met zo eenvoudig mogelijke proeven en demonstraties zonder al te grote opstellingen. Om de focus op de begripsontwikkeling te behouden moet men van leerlingen in dit soort practica geen nauwkeurige metingen vragen.

Volgens (Millar, 2009) kan een begripspracticum nog opgedeeld worden in drie subsoorten, naargelang de specifieke leerdoelen:

- Leerlingen kunnen een observatie navertellen.

- Leerlingen kunnen een patroon (gelijkheid, verschil, trend, verband…) in observaties navertellen.

- Leerlingen hebben een beter begrip van een wetenschappelijk idee, concept of model of wetenschappelijke verklaring of theorie.

Over de drie subsoorten heen, kan ik geïnspireerd door (Van den Berg & Buning, 1994) de effectiviteitscriteria voor een begripspracticum uit Tabel 5 opstellen. Merk nog op dat de eerste twee vragen van Tabel 5 direct verband houden met de vragen in Tabel 4. Ze hoeven daarom niet opnieuw beantwoord te worden. De overeenkomstige scores zijn daarom in het wit

aangeduid. De antwoorden op deze vragen worden berekend door 5 te verminderen met het overeenkomstige antwoord uit Tabel 4.

Tabel 5: Effectiviteitscriteria voor begripspractica

1.2 Effectiviteit als begripspracticum (leerdoel A) . /5

In welke mate…

… zijn doelen in vaardigheden (leerdoel B) duidelijk en afgebakend? . /5 … zijn doelen in onderzoek (leerdoel C) duidelijk en afgebakend? . /5 … zijn de activiteiten een uitgekiende serie, waarbij vertrokken wordt van leerlingenideeën en -intuïties en waarbij er zorgvuldig een begrip wordt opgebouwd? . /5 … zet de begripsvorming zich af tegen misconcepties? . /5

… is het proces een gestructureerde benadering? . /5

… is er open interactie tussen leerlingen en leerkracht? . /5

4.1.2.1.3 Effectiviteit als apparatuurspracticum (leerdoel B)

Het belangrijkste doel bij een apparatuurs- of vaardigheidspracticum is om leerlingen te leren werken met meetapparatuur en om hen wetenschappelijk standaardprocedures te laten inoefenen. Een apparatuurspracticum is dus voornamelijk gericht op vaardigheden.

Effectiviteitscriteria zijn o.a. te vinden in (Van den Berg & Buning, 1994). De auteurs geven aan dat voor vaardigheidspractica de instructies best zo duidelijk mogelijk zijn. In dit geval moedigen zij zelfs aan om een receptmatige stijl te hanteren. Ook uit (Millar, 2009) zijn enkele criteria ontleend. De selectie is terug te vinden in Tabel 6.

Tabel 6: Effectiviteitscriteria voor apparatuurspractica

1.3 Effectiviteit als apparatuurspracticum (leerdoel B) . /5

In welke mate…

… zijn doelen in begripsontwikkeling (leerdoel A) duidelijk en afgebakend? . /5 … zijn doelen in onderzoek (leerdoel C) duidelijk en afgebakend? . /5

… zijn de instructies duidelijk? . /5

… is er tijd voorzien om de vaardigheden in te oefenen? . /5 … leren leerlingen nieuwe meetinstrumenten hanteren of worden ze beter in het hanteren

van gekende meetinstrumenten? . /5

… leren leerlingen nieuwe praktische procedures volgen of worden ze beter in het volgen van

Het afzonderlijk aftoetsen van de acht vaardigheden die volgens de website van big ideas,

great stem1 _{in een practicum kunnen zitten, werd hier bewust achterwege gelaten. Het zou het} instrument minder werkbaar maken. Bovendien is het contraproductief om zo veel mogelijk vaardigheden in één practicum te willen stoppen. Veel beter is om na te gaan of je over een jaar (of meerdere jaren) heen de verschillende vaardigheden aan bod laat komen.

4.1.2.1.4 Effectiviteit als onderzoekspracticum (leerdoel C)

Het beoogde objectief bij een onderzoekspracticum is om leerlingen wetenschappelijk onderzoek te laten inoefenen en om hen inzicht te verschaffen in dit proces. Volgens (Holmes & Wieman, 2018) zijn practica hier uitermate geschikt voor.

Verschillende auteurs geven checklists van hands on- en minds on-handelingen die in onderzoekspractica aan bod kunnen komen. Een weloverwogen veralgemening met het oog op de effectiviteit is opgenomen in Tabel 7. Ook hier is het niet aangewezen om alle aspecten van wetenschappelijk onderzoek waar leerlingen in kunnen verbeteren op te sommen. Doelgericht per practicum enkele aspecten uitlichten blijkt op lange termijn het beste resultaat op te leveren.

Tabel 7: Effectiviteitscriteria voor onderzoekspractica

Onderzoekers zijn het echter niet altijd volledig met elkaar eens. Zo is (Millar & Abrahams, 2009) een voorstander van een aanzienlijke hoeveelheid scaffolding terwijl (Van den Berg & Buning, 1994) bepleit dat de leerkracht slechts in gepaste mate hulp mag bieden aan leerlingen. Te veel voorzetten van de leerkracht zou de denkactiviteit van leerlingen kunnen

1_{https://bigideasgreatscience.wordpress.com/}

1.4 Effectiviteit als onderzoekspracticum (leerdoel C) . /5

In welke mate…

… zijn doelen in begripsontwikkeling (leerdoel A) duidelijk en afgebakend? . /5 … zijn doelen in vaardigheden (leerdoel B) duidelijk en afgebakend? . /5 … is er vrijheid voor de leerlingen om keuzes te maken in het opzet van experimenten (zelf onderzoeksvragen formuleren, proefjes uitdenken, voorspellingen doen, verklaringen zoeken

en conclusies trekken)? . /5

… biedt de leerkracht in gepaste mate hulp aan de leerlingen via scaffolding? . /5

… is de vraagstelling voldoende open? . /5

… is er ruimte voor discussie tussen leerlingen onderling en met de leerkracht? . /5 … worden leerlingen beter in een algemeen begrip van wetenschappelijk onderzoek? . /5

verlammen (Holmes & Wieman, 2018). Elke auteur bevindt zich ergens in het spectrum tussen helemaal geen hulp bieden en alles voorkauwen. Tussen de lijnen vind ik consensus dat een gepaste mate van scaffolding het meest effectief is. Dit criterium is dan ook niet zo eenvoudig te beoordelen maar is gezien zijn belang toch opgenomen in deze masterproef, zij het dat het pas te beoordelen valt na observaties. De optimale hoeveelheid hulp via scaffolding is op zich een interessant studieobject.

(Millar, 2004) en (Holmes & Wieman, 2018) zijn in dezelfde lijn het ook niet helemaal eens over de optimale openheid van vragen. Beide publicaties poneren wel eensgezind dat een open vraagstelling bijdraagt tot het onderwijzen van de wetenschappelijke methode. Voor (Holmes & Wieman, 2018) is hier wel duidelijk een bovengrens te vinden, terwijl (Millar, 2004) stelt dat hoe opener de vraagstelling is, des te meer dit bijdraagt tot de ontwikkeling van inzicht over wetenschappelijk onderzoek. Dit geldt althans voor leerlingen die later een wetenschappelijke richting studeren. Voor hen verhoogt dit hun wetenschappelijke geletterdheid. In dit onderzoek hou ik een voldoende openheid van vraagstelling aan als meest effectief. Waar het optimum precies ligt is weerom het onderzoeken waard.

4.1.2.1.5 Leerdoel na determinatie

Door het beantwoorden van de vragen uit Tabellen 5, 6 en 7, bekomt men een gedetailleerder beeld van het hoofddoel van het practicum. Naast de eerste inschatting van het leerdoel uit Paragraaf 4.1.2.1.1 kan het rekenblad nu ook het leerdoel na determinatie bepalen. Gezien dit laatste leerdoel gebaseerd is op meer informatie, zal ik het leerdoel na determinatie hanteren bij de verdere bespreking van de resultaten.

4.1.2.2 Effectiviteit op doeniveau (niveau 1)

Nu de effectiviteit om het leerdoel te kunnen bereiken verankerd zit in de berekening van een effectiviteitsscore, kan de gedachtegang van het eenvoudige model uit Paragraaf 4.1.1 verder gevolgd worden.

De effectiviteit op doeniveau zit grotendeels ingebakken in het schriftelijke ontwerp van een practicum. (Millar, 2009) start haar checklist met volgende drie punten:

- openheid van vraagstelling - logische structuur van activiteit

Haar eerste punt is al opgenomen in Tabel 7 bij de effectiviteitscriteria van onderzoekspractica. De twee andere ontwerppunten spelen voornamelijk een rol bij de effectiviteit op doeniveau in het ideeëndomein. De afgeleide criteria staan opgenomen in Paragraaf 4.1.2.2.2.

4.1.2.2.1 Effectiviteit op doeniveau in domein van observaties (niveau 1:o)

In (Millar, 2009) staat een hele waslijst aan handelingen die leerlingen met objecten kunnen uitvoeren tijdens een practicum. Om de effectiviteit op dit niveau in te schatten, suggereert Millar om ook volgende vragen te stellen:

- Wisten de leerlingen hoe ze de instrumenten moesten gebruiken?

- Konden de leerlingen de apparatuur en het materiaal op een correcte en veilige manier gebruiken?

- Konden de leerlingen de apparatuur met de nodige precisie hanteren, zodat de noodzakelijke metingen en observaties gedaan konden worden?

- Konden de leerlingen een gekende procedure volgen?

- Konden de leerlingen mondelinge of schriftelijke instructies correct volgen? - Observeerden de leerlingen de beoogde resultaten?

- Konden de leerlingen het doel van de activiteiten benoemen als ze daarnaar gevraagd werden?

- Spraken de leerlingen over de activiteiten in wetenschappelijke termen en ideeën?

Een samenvatting van deze lijst leidt tot de effectiviteitscriteria uit Tabel 8.

Tabel 8: Effectiviteitscriteria op doeniveau in domein van observaties

4.1.2.2.2 Effectiviteit op doeniveau in domein van ideeën (niveau 1:i)

Voorgeschreven handelingen correct uitvoeren en hiermee een fenomeen produceren is één zaak. De effectiviteit van een practicum wordt echter sterk verhoogd als leerlingen ook nadenken bij wat ze doen. Ze moeten beseffen waar ze mee bezig zijn en trachten om verklaringen te vinden voor hetgeen ze waarnemen. Een degelijk practicum verplicht leerlingen

2.1 Effectiviteit op doeniveau in domein van observaties (niveau 1:o) . /5

In welke mate kunnen leerlingen…

… op basis van het neergeschreven practicum de vereiste handelingen op voorwerpen en

materialen uitvoeren? . /5

… het beoogde fenomeen produceren? . /5

… correcte metingen uitvoeren? . /5

dus om naast hands on-activiteiten ook minds on-activiteiten te verrichten (Millar & Abrahams, 2009).

Leerlingen sturen in de richting van meer hersenactiviteit kan o.a. door peer review zoals beschreven in het argument-driven inquiry instructiemodel (Sampson et al., 2011). De methodiek stimuleert leerlingen om na te denken en om hun gedachten te onderbouwen. Om als leerkracht een zicht te krijgen op het denkwerk van leerlingen is het goed om hen hun gedachten te laten noteren. Dit kan op een werkblad, in een verslag of zelfs tijdelijk op een

whiteboard. Dit geeft de leerkracht snel een overzicht van wie goed bezig is in de les.

Leerlingen kunnen op die manier ook van elkaar leren, door bijvoorbeeld over onderzoeksvragen te discussiëren.

In (Millar, 2009) staat opnieuw een checklist aan handelingen die in een practicum op niveau 1:i kunnen zitten:

- observaties rapporteren gebruik makend van wetenschappelijke terminologie

- identificeren van een gelijkheid of een verschil (tussen voorwerpen, materialen of fenomenen)

- het effect onderzoeken op het resultaat van een bepaalde verandering van de input - het effect onderzoeken hoe het resultaat verandert in de tijd

- het effect onderzoeken op het resultaat als de waarde van een onafhankelijke parameter verandert

- het effect onderzoeken op het resultaat als de waarden van meerdere onafhankelijke parameters veranderen

- ontwerpen van een meet- of observatieprocedure

- de waarde bekomen van een afgeleide grootheid (die niet rechtstreeks gemeten kan worden)

- een voorspelling doen en deze verifiëren met een test

- beslissen of een verklaring toegepast kan worden op de geobserveerde situatie - beslissen welke van twee of meerdere verklaringen het best overeenkomt met de

gegevens

- een mogelijke verklaring suggereren bij bepaalde gegevens

Dit alles breng ik samen tot de effectiviteitscriteria uit Tabel 9. Merk op dat er in het vijfde criterium van Tabel 5 uit paragraaf 4.1.2.1.2 al gepeild is naar de structuur van het practicum. Je hoeft voor het eerste criterium van Tabel 9 dus geen nieuwe score in te geven. Het rekenblad vult de score automatisch in.

Tabel 9: Effectiviteitscriteria op doeniveau in domein van ideeën

4.1.2.3 Effectiviteit op leerniveau (niveau 2)

De effectiviteit op leerniveau kan moeilijk afgeleid worden uit de neergeschreven instructies van een practicum. Wat leerlingen effectief geleerd hebben van een practicum kan immers het best bepaald worden door hen na het practicum te testen. Het instrument uit deze masterproef wil zo compleet mogelijk zijn en bevat daarom wel enkele criteria voor de effectiviteit op leerniveau. De meeste criteria kan men echter slechts correct beoordelen a.d.h.v. observaties en interviews of tests die na het practicum plaatsvinden. De bijhorende scores staan zoals steeds in het blauw aangegeven.

4.1.2.3.1 Effectiviteit op leerniveau in domein van observaties (niveau 2:o)

(Millar, 2009) stelt zich volgende vraag om de effectiviteit op niveau 2 in het observatiedomein te toetsen: “Welk aandeel van de leerlingen kan nadien navertellen wat zij gedaan en geobserveerd hebben?” Combineer ik dit met de bevindingen uit de literatuurstudie dan kom ik tot de effectiviteitscriteria uit Tabel 10.

Tabel 10: Effectiviteitscriteria op leerniveau in domein van observaties

4.1.2.3.2 Effectiviteit op leerniveau in domein van ideeën (niveau 2:i)

(Millar, 2009) evalueert de effectiviteit op niveau 2 in het ideeëndomein met volgende vraag: “Welk aandeel van de leerlingen hebben nadien een beter begrip van de beoogde ideeën die

2.2 Effectiviteit op doeniveau in domein van ideeën (niveau 1:i) . /5

In welke mate…

… is het neergeschreven practicum voldoende gestructureerd? . /5 … is het wetenschappelijk idee bij de leerlingen al op voorhand gekend? . /5 … moeten de leerlingen het effect van de invoer onderzoeken op de resultaten? . /5 … worden leerlingen geactiveerd om zelf na te denken? . /5

3.1 Effectiviteit op leerniveau in domein van observaties (niveau 2:o) . /5

In welke mate…

… moeten de leerlingen een schriftelijke neerslag maken van wat ze gedaan en geobserveerd

hebben tijdens het practicum? . /5

… krijgen de leerlingen voldoende tijd om te reflecteren over hun handelingen en

observaties? . /5

… geeft de leerkracht klassikaal duiding bij de handelingen en observaties van het practicum? . /5 … onthouden de leerlingen wat ze gedaan en geobserveerd hebben tijdens het practicum? . /5

ze dankzij het practicum zouden meekrijgen?” Analoog aan Tabel 10 kunnen effectiviteitscriteria in het domein van ideeën opgesteld worden. Deze staan weergegeven in Tabel 11.

Tabel 11: Effectiviteitscriteria op leerniveau in domein van ideeën

4.1.2.4 Effectiviteit in domein van observaties (domein o)

Zoals in Paragraaf 4.1.1 beschreven kan men de effectiviteitsscore in het domein van observaties berekenen door deze van niveau 1:o en niveau 2:o op te tellen. Aangezien niet elke cel evenveel criteria telt, maar ik toch aan elke cel een even groot gewicht wil toekennen, berekent het rekenblad deze score als het gemiddelde van beide scores.

4.1.2.5 Effectiviteit in domein van ideeën (domein i)

Op een analoge manier wordt de effectiviteitsscore in het ideeëndomein als het gemiddelde van niveau 1:i en 2:i berekend. Hiervoor hoeft men geen nieuwe criteria te beoordelen.

4.2

Fase 2: selecteren van practica

Op KlasCement1 _{staat vrij beschikbaar leermateriaal dat door Vlaamse leerkrachten} ontwikkeld is. Het is dus in zekere mate representatief voor wat er in Vlaanderen gebeurt. Zoeken op ‘practicum fysica’ levert bijna 170 resultaten op. Om het aantal practica te reduceren kan je filteren op onderwerpen uit het vierde jaar. Als je ook demonstratieproeven (waar dit voorkomt in de titel), algemene handleidingen over de wetenschappelijke methode en video’s weglaat, dan blijven er nog 21 practica over.

De geselecteerde practica beslaan een brede waaier aan thema’s die aan bod komen in het vierde jaar. In Tabel 12 staan ze per thema opgelijst samen met hun onderwerp, auteur en het

1_{http://klascement.net}

3.2 Effectiviteit op leerniveau in domein van ideeën (niveau 2:i) . /5

In welke mate…

… moeten de leerlingen een schriftelijke neerslag maken van wat ze geleerd hebben tijdens

het practicum? . /5

… krijgen de leerlingen voldoende tijd om te reflecteren over verklaringen achter hun

experimenten? . /5

… geeft de leerkracht klassikaal duiding bij achterliggende theorieën van het practicum? . /5 … onthouden de leerlingen wat ze bedacht hebben tijdens het practicum? . /5

aantal sterren (op vijf) dat ze kregen op KlasCement. De meeste practica gaan over de gaswetten. Om deze te kunnen vergelijken met eigen werk, heb ik er ook een practicum van mezelf aan toegevoegd: practicum 11 over de gaswet van Boyle-Mariotte. Dit practicum is ook als bijlage terug te vinden.

Tabel 12: Selectie van practica

N° Thema Onderwerp Auteur Aantal

sterren

1 Thema 1 - Arbeid Arbeid en vermogen van een verticale verplaatsing

Philip Lambrechts - 2 Thema 1 - Arbeid Arbeid en vermogen voor een

constante kracht

Philip Lambrechts 4,5 3 Thema 1 - Arbeid Arbeid en vermogen voor een

niet-constante kracht

Philip Lambrechts 4,0

4 Thema 2 - Energie kWh-teller Liesbet Merchiers 4,0

5 Thema 3 - Behoud van energie, vermogen en rendement

Energie en energieomzetting Gudrun Podevijn 4,5 6 Thema 4 - Druk en druk bij

gassen

Druk van vaste stof Liesbet Merchiers 4,5 7 Thema 4 - Druk en druk bij

gassen

Druk van een fietsband Sven De Voeght 4,0 8 Thema 5 - Druk bij vloeistoffen Hydrostatische druk: werkbundel Kelly Lambrachts 4,0 9 Thema 5 - Druk bij vloeistoffen Hydrostatische druk: practicum Philip Lambrechts 2,0 10 Thema 5 - Druk bij vloeistoffen Archimedeskracht Philip Lambrechts 3,5 11 Thema 6 - De gaswetten Gaswet van Boyle-Mariotte Tim Vercruysse - 12 Thema 6 - De gaswetten Gaswet van Boyle: practicum I Philip Lambrechts 4,5 13 Thema 6 - De gaswetten Gaswet van Boyle: practicum II Philip Lambrechts 4,0 14 Thema 6 - De gaswetten Gaswet constante temperatuur Philip Lambrechts - 15 Thema 6 - De gaswetten Gaswet constant volume Philip Lambrechts - 16 Thema 6 - De gaswetten Drukwet voor een gas Philip Lambrechts 4,0 17 Thema 6 - De gaswetten Volumewet voor een gas Philip Lambrechts 3,5 18 Thema 7 - Warmte, temperatuur

en inwendige energie

Energie-efficiëntie Fatiha Baki 4,0 19 Thema 8 - Warmtecapaciteit Omzetting elektrische in

warmte-energie

Philip Lambrechts 2,0 20 Thema 8 - Warmtecapaciteit Bepaling van soortelijke

warmtecapaciteiten

Rik Machiels - 21 Thema 9 – Faseovergangen bij

normale druk

Droogijs Lode Vanhoutte 4,5

22 Thema 10 - Invloed van de druk op faseovergangen

Dampdruklijn van water Philip Lambrechts 3,0

4.3

Fase 3: beoordelen van practica op effectiviteit

In de derde fase worden de 22 geselecteerde practica uit Tabel 12 beoordeeld op hun effectiviteit a.d.h.v. het meetinstrument volgens het uitgebreid model uit Paragraaf 4.1.2. Elk practicum krijgt op basis van vorm en inhoud een score op vijf toegekend voor elk van de beoordeelbare criteria. De toegekende scores zijn terug te vinden in het rekenblad in bijlage.