De invloed van theoretische kennis op intuitive physics

De invloed van theoretische kennis op

intuitive physics

Datum: 6 februari 2017

Studenten: Suzanne Bardelmeijer(10716971), Lotje Bijkerk (10718826), Dorien Melman

(10595880) en Rozeline Wijnhorst (10726217)

Opleiding: Bèta-Gamma bachelor, jaar 3 Vak: Thema III deel 2, vrije domein Junior docent: Jaco de Swart

Senior docenten: Machiel Keestra en Rudolf Sprik Aantal woorden: 4499

Abstract

De klassiek mechanische kant van intuitive physics is sterk vertegenwoordigd in bestaande onderzoeken. Waar nog weinig onderzoek naar is gedaan, is intuitive physics in combinatie met vloeistoffen. In dit onderzoek wordt intuitive physics op het gebied van vloeistoffen onderzocht. Daarnaast wordt bekeken wat de invloed is van theoretische expertise op intuitive physics. In dit onderzoek zullen de concepten intuitive physics, viscositeit en expertise met elkaar in verband worden gebracht middels de vraag: in hoeverre is er sprake van intuitive physics voor de viscositeit van

vloeistoffen en verandert deze door theoretische kennis over viscositeit? Op empirische wijze wordt

antwoord gegeven op deze vraag. Dit wordt gedaan met twee psychologische experimenten waaraan een expertgroep en een studentengroep deelnemen. Dit onderzoek lijkt het bestaan van intuitive

physics voor de basisprincipes van viscositeit aan te tonen. Expertise op basis van theoretische kennis

lijkt geen invloed te hebben op intuitive physics. Toekomstig onderzoek zou zich kunnen focussen op de mogelijke invloed van praktische, in plaats van theoretische, expertise op intuitive physics.

Inhoudsopgave

Inleiding Blz. 3

Theoretisch kader Blz. 5

● Intuitive physics Blz. 5

● Vloeistoffen en viscositeit Blz. 5

● Intuitive physics en vloeistoffen Blz. 6

● Intuitive physics en expertise Blz. 7

Methoden Blz. 8 ● Viscositeit Blz. 8 ● Psychologische experimenten Blz. 9 - Experiment I Blz. 10 - Experiment II Blz. 11 Resultaten Blz. 13 ● Experiment I Blz. 13 ● Experiment II Blz. 15 Discussie en conclusie Blz. 17 ● Experiment I Blz. 17 ● Experiment II Blz. 17

● Intuitive physics en expertise BIz. 18

● Aanbevelingen Blz. 18

Literatuurlijst Blz. 20

Inleiding

Intuïtie is een stilzwijgend gevoel dat de gedachtegang onbewust kan beïnvloeden (Brock, 2015). Intuïtie speelt een rol op veel verschillende vlakken. Zo bestaat er ook een intuïtie voor natuurwetten, zoals bijvoorbeeld de zwaartekracht. Een intuïtie met betrekking tot natuurwetenschappelijke fenomenen wordt ook wel intuitive physics genoemd. Chi en Slotta (1993) stellen dat intuitive physics de conceptuele kennis over de fysieke wereld is, die niet per se gebaseerd is op feitelijke kennis. Interactie met de fysieke wereld door bijvoorbeeld acties als duwen, trekken, knijpen en schenken zijn ervaringen die bijdragen aan de ontwikkeling van een rijke impliciete kennis van alledaagse natuurverschijnselen (Sherin, 2006).

De rol die intuitive physics speelt in ons leven is al veel onderzocht. Zo is gekeken op welke manier intuitive physics tot uiting komt bij het waarnemen van botsende objecten (Sanborn, Mansinghka & Griffiths, 2013) en wat de invloed van intuitive physics is op de interactie met bewegende objecten, bijvoorbeeld het vangen van een bal (Krist, Fieberg & Wilkening, 1993; Krist, 2000). Deze onderzoeken bevestigen het idee van McCloskey (1983) dat intuitive physics niet altijd consistent is met de daadwerkelijke achterliggende mechanismen van de fysieke wereld. Zo voorspellen mensen vaak dat ronddraaiende objecten een gebogen pad afleggen wanneer deze worden losgelaten (McCloskey, Caramazza, & Green, 1980) en gaan zij er vanuit dat een bal die wordt losgelaten vanaf een bewegend object, recht naar beneden valt (McCloskey, Washburn, & Felch, 1983; Kaiser, Proffitt, Whelan, & Hecht, 1992). In werkelijkheid is dit niet het geval. Mensen denken dat zij weten hoe alledaagse fysieke objecten werken, maar hun intuïtieve kennis is niet in overeen-stemming met de Newtoniaanse mechanica (Sanborn, Mansinghka & Griffiths, 2013). Ondanks de inconsistentie van intuitive physics met de daadwerkelijke achterliggende mechanismen, stelt

intuitive physics ons wel in staat om intuïtief om te kunnen gaan met dagelijkse natuurkundige

verschijnselen.

Zoals in de vorige alinea is besproken, is de klassiek mechanische kant van intuitive physics sterk vertegenwoordigd in bestaande onderzoeken. Waar nog weinig onderzoek naar is gedaan, is

intuitive physics in combinatie met vloeistoffen. Dit is opmerkelijk omdat vloeistoffen een zeer

complexe fysische achtergrond hebben, maar mensen toch al van jongs af aan effectief kunnen omgaan met vloeistoffen. Zo komen vloeistoffen veelvuldig terug in alledaagse handelingen zoals het inschenken van een kop thee en het smeren van een broodje (Kawabe et al., 2014). Zonder dat de achterliggende mechanismen van vloeistoffen bestudeerd zijn, weet men dat wanneer een kop thee omvalt, de thee zich sneller zal verspreiden dan honing wanneer een pot honing omvalt. Dit zou erop

kunnen duiden dat intuitive physics een rol speelt in de omgang met vloeistoffen, specifiek op het gebied van viscositeit. In dit onderzoek zal gekeken worden of er een dergelijke intuitive physics bestaat voor de viscositeit van vloeistoffen.

Net als intuïtie is ook expertise een veelbesproken concept wanneer wordt gesproken over menselijke prestaties, leren en cognitief modelleren. In dit onderzoek wordt met expertise gedoeld op het beschikken over veel specifieke theoretische kennis. Toch lijkt het erop dat zowel leken als experts teruggrijpen op dezelfde intuïtieve kennis (Farrington-Darby & Wilson, 2006). Het is dan mogelijk dat een expert beschikt over conflicterende intuïtieve kennis ten opzichte van theoretische kennis en dat dit conflict het adequaat oplossen van een probleem in de weg zit. Dit zou opmerkelijk zijn omdat men hoopt dat een theoretisch onjuiste intuitive physics vervangen of verbeterd wordt door natuurkundig correcte theoretische kennis. In dit onderzoek zal dieper ingegaan worden op de invloed van expertise op intuitive physics.

Bovenstaand zijn verschillende interessante concepten benoemd zoals intuitive physics, viscositeit en expertise. In dit onderzoek zullen deze concepten op interdisciplinaire wijze met elkaar in verband gebracht worden middels de hoofdvraag van dit onderzoek: in hoeverre is er sprake van

intuitive physics voor de viscositeit van vloeistoffen en verandert deze door theoretische kennis over viscositeit?

Farrington-Darby en Wilson (2006) stellen dat experts met veel theoretische kennis vaak niet beter presteren dan leken bij het op intuïtieve wijze oplossen van vraagstukken. Ook Chi en Slotta (1993) stellen dat naïeve conceptuele kennis, wat te vergelijken is met intuitive physics, moeilijk te veranderen is met theoretische kennis door instructie. Op basis van bovengenoemde onderzoeken wordt verwacht dat intuitive physics van leken en experts niet verschilt, en dat intuitive physics dus niet verandert door extra theoretische kennis.

Om een antwoord te vinden op de hoofdvraag is een interdisciplinaire aanpak van belang. Zo zullen eerst de scheikundige en natuurkundige aspecten van viscositeit en het begrip intuitive physics besproken worden. Vervolgens zal door middel van een psychologisch experiment gekeken worden of er intuitive physics bestaat voor de viscositeit van vloeistoffen. Door middel van interdisciplinaire integratie zal de mogelijke intuitive physics voor viscositeit van vloeistoffen in verband worden gebracht met theoretische kennis op dit gebied. Er wordt gekeken of theoretische kennis over vloeistoffen invloed heeft op de bestaande, algemene intuitive physics over dit onderwerp.

Theoretisch kader

Intuitive physics

Het gevoel van het hebben van een intuïtie kan ook beschreven worden als de ervaring iets te weten zonder de achterliggende reden te kennen (DiazGranados, Rosen & Salas, 2010). Zoals in de inleiding is beschreven is intuitive physics een intuïtie voor natuurwetenschappelijke eigenschappen. De menselijke intuïtie kan als een katalysator beschouwd worden omdat het shortcuts toestaat tijdens het oplossen van problemen (Singh, 2002). Zowel de input als de output van intuïtie vinden plaats via automatic processing, en verschillen dus kwalitatief met bewuste redenering (DiazGranados, Rosen & Salas, 2010). Intuïtie is te onderscheiden van een reflectief proces omdat het zich kenmerkt door een snel, automatisch en impliciet proces (Baumard & Boyer, 2013). Een reflectief proces is daarentegen langzaam, overwegend, expliciet en algemeen (Evans, 2008). Er wordt uitgegaan van het bestaan van twee cognitieve systemen. Onder systeem 1 vallen de intuïtieve processen en systeem 2 beschrijft de reflectieve processen (Kahneman, 2011). Wanneer de tijdsdruk waarin mensen een taak moeten voltooien wordt verhoogt, valt men eerder terug op systeem 1, het intuïtieve snelle proces, dan op systeem 2 (DiazGranados, Rosen & Salas, 2010). Voor het onder tijdsdruk oplossen van een probleem met een natuurwetenschappelijke achtergrond zal men dus terugvallen op intuitive physics (Brent Strickland, pers. comm., november 2016). Brent Strickland is werkzaam als onderzoeker op het gebied van cognitie voor het French National Center for Scientific

Research (NCRS) op het Ecole Normale Superieure/Institut Jean Nicod. Ook in het onderzoek van

DiazGranados et al (2010) wordt vermeld dat een automatisch proces het meest effectief tot stand komt wanneer er sprake is van een tijdsdruk.

Vloeistoffen en viscositeit

In dit onderzoek wordt intuitive physics in verband gebracht met één van de belangrijkste eigenschappen van vloeistoffen: viscositeit. Viscositeit is de mate van stroperigheid van de vloeistof (Jones, 2002). Hoe hoger de viscositeit, hoe stroperiger de vloeistof. Objecten ondervinden meer weerstand als ze zich door een vloeistof met een hogere viscositeit voortbewegen. Verder is viscositeit van invloed op hoe snel een vloeistof stroomt. Hoe hoger de viscositeit, hoe langzamer een vloeistof zal stromen (Jones, 2002). Hier zou men uit kunnen opmaken dat wanneer er in twee vloeistoffen een kogeltje met dezelfde snelheid valt, deze vloeistoffen dezelfde viscositeit hebben en

dus ook met dezelfde snelheid zullen stromen. Dit geldt echter alleen voor newtoniaanse vloeistoffen. Als een vloeistof newtoniaans van aard is, zal de vloeistof twee keer zo snel gaan stromen als de kracht op de vloeistof twee keer zo groot wordt (Bird et al., 1977). De vloeistof gedraagt zich lineair (Figuur 1). Dit is echter niet altijd het geval. Soms neemt de viscositeit van een vloeistof af wanneer er bijvoorbeeld door heen wordt geroerd of als de vloeistof door een dunne buis stroomt. Deze vloeistoffen gedragen zich niet lineair, maar zijn shear thinning (Bird et al., 1977). Als de kracht op een shear thinning vloeistof groter wordt, zal de effectieve viscositeit van de vloeistof afnemen zoals te zien is in Figuur 2 (Jones, 2002). Wanneer men tegelijkertijd een kogeltje laat vallen in twee vloeistoffen met dezelfde effectieve viscositeit maar de één shear thinning is en de ander newtoniaans, dan zal het balletje op hetzelfde moment de bodem raken. De gemiddelde snelheid van de kogeltjes is hetzelfde, maar het kogeltje in de shear thinning vloeistof zal langzaam beginnen en zijn snelheid zal toenemen. Omdat de kogeltjes dezelfde gemiddelde snelheid hebben en binnen korte tijd gevallen zijn, zal het op het oog lijken of de vloeistoffen dezelfde viscositeit hebben. Wanneer men de vloeistoffen door een buis laat stromen, zal de shear thinning vloeistof echter sneller stromen dan de newtoniaanse vloeistof (Bird et al., 1977). Hierbij is op het oog duidelijk dat de vloeistoffen een andere viscositeit hebben. Een fenomeen als shear thinning maakt het gedrag van vloeistoffen lastig voorspelbaar.

Figuur 1: effectieve viscositeit voor een newtoniaanse vloeistof

(honing)

Figuur 2: effectieve viscositeit voor een shear thinning

Intuitive physics en vloeistoffen

Het intuïtieve gevoel dat mensen hebben over de werking van vloeistoffen is volgens het onderzoek van Bates et al. (2015) mogelijk doordat de mens over een cognitief model beschikt dat in staat is om eigenschappen van vloeistoffen te beredeneren. In het onderzoek van Bates et al. (2015) wordt dit cognitieve model de intuitive physics engine genoemd. Deze engine is al vanaf jongs af aan aanwezig, blijkt uit onderzoek van Hespos, Ferry en Rips (2009). Uit dit onderzoek komt naar voren dat baby’s van vijf maanden oud al onderscheid kunnen maken tussen vaste stoffen en vloeistoffen op basis van hun verschillende bewegingspatronen. Dit suggereert dat intuitive physics een rol speelt in de omgang met vloeistoffen (Hespos, Ferry & Rips, 2009).

Intuitive physics en expertise

Expertise kan worden gezien als een eigenschap die de betrouwbaarheid en kwaliteit van prestaties kan beïnvloeden (Farrington-Darby & Wilson, 2006). Zoals vermeld in de inleiding wordt met expertise bedoeld dat iemand veel theoretische kennis heeft over een specifiek onderwerp. Een expert begrijpt de betekenis achter verstrekte informatie en kan de implicaties van de daarop gebaseerde keuzes en acties voorzien (Cellier et al, 1997). De cognitieve wetenschappen erkennen experts als geschoold, competent en kwalitatief andersdenkend dan leken (Anderson, 2000; Chi et al., 1988). Aan de andere kant wijst onderzoek dat zich richt op het maken van keuzes uit dat in veel gevallen experts niet beter presteren dan leken (Farrington-Darby & Wilson, 2006). Dit zou dus betekenen dat de intuïtie niet verandert of verbetert door theoretische kennis. Ook Chi en Slotta (1993) stellen dat intuitive physics niet verandert door theoretische kennis door instructie.

Methoden

Het onderzoek is opgedeeld in drie verschillende onderdelen. In het eerste deel wordt de viscositeit van de verschillende gebruikte vloeistoffen gemeten om geschikt beeldmateriaal te maken. Dit zal worden gebruikt in het tweede en derde onderdeel van het onderzoek. Het tweede en derde onderdeel van het onderzoek zijn psychologische experimenten. Deze psychologische experimenten worden in dit hoofdstuk uitgelegd. Met de resultaten van de drie verschillende onderdelen wordt de onderzoeksvraag van dit onderzoek beantwoord.

Viscositeit

Om geschikt beeldmateriaal te creëren voor de psychologische experimenten, wordt gekeken wat de viscositeit van verschillende vloeistoffen is. De onderzochte vloeistoffen zijn: water, squall (een middel om bestrijdingsmiddelen in de landbouw te verdunnen), glycerol, honing en haargel. De viscositeit van deze vloeistoffen is gemeten met behulp van de Rheometer en een cone behorend bij de Rheometer met een hoek van 1,009 graden. De Rheometer meet de effectieve viscositeit van een vloeistof met behulp van Formule 1 waarin η de viscositeit in Pa*s is.

𝜂 =

𝑠ℎ𝑒𝑎𝑟 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝑟𝑎𝑡𝑒(1_𝑠)(formule 1)

De shear strain rate (1/s) is de verplaatsing van de vloeistof in de x richting (Δx) over de hoogte van de vloeistof (y) als de vloeistof wordt samengedrukt tussen twee platen waarvan er één gaat draaien. De shear strain rate staat in verhouding met de shear stress. De shear stress (Pa) is gelijk aan de kracht (F) die op de vloeistof werkt over het oppervlak van de vloeistof (A) (Jones, 2002).

Als de vloeistof newtoniaans is, is de effectieve viscositeit voor elke shear stress gelijk. Als de vloeistof shear thinning is, neemt de effectieve viscositeit van de vloeistof af. Aan de hand van dit gegeven wordt vastgesteld welke van de gebruikte vloeistoffen shear thinning en welke newtoniaans zijn. Als een vloeistof newtoniaans is, is er een lineair verband te zien als de shear strain rate wordt uitgezet tegen de shear stress (Figuur 1). Een shear thinning vloeistof laat een exponentieel verband zien wanneer het wordt uitgezet tegen de shear stress (Figuur 2). De grafieken voor alle gebruikte vloeistoffen zijn terug te vinden in de bijlage.

Psychologische experimenten

Zoals eerder vermeld, worden er twee psychologische experimenten gedaan. In het eerste experiment wordt onderzocht of er sprake is van intuitive physics op het gebied van de viscositeit van vloeistoffen. In het tweede experiment wordt onderzocht of er een specifieke intuïtie is over de werking van shear thinning vloeistoffen. De experimenten worden beide in twee verschillende groepen uitgevoerd. De eerste groep bestaat uit 36 eerstejaars Bèta-Gamma studenten. Zij hebben natuurkunde eindexamen gedaan op vwo, maar geen diepgaande theoretische kennis over de viscositeit van vloeistoffen. De tweede groep bestaat uit 25 medewerkers van het Van der Waals-Zeeman Instituut. De groep bestaat uit master- en PhD-studenten en hoofddocenten natuurkunde. Zij hebben beschikken over specifieke theoretische kennis over de viscositeit van vloeistoffen. De opzet van de experimenten is nog niet eerder in deze vorm uitgevoerd in bestaand onderzoek.

Beide experimenten worden uitgevoerd met behulp van een PowerPoint presentatie waarin de vragen worden weergeven. De vragen worden door de proefpersonen beantwoord met stemkastjes van TurningPoint. De proefpersonen krijgen 10 seconden de tijd om te antwoorden omdat ervan wordt uitgegaan dat intuïtie een automatisch proces is en het effectiefst tot stand komt wanneer er sprake is van een tijdsdruk (DiazGranados, Rosen & Salas, 2010). Voorafgaand aan het experiment wordt de proefpersonen niet meer verteld dan dat zij vragen moeten beantwoorden over vloeistoffen (Afbeelding 1 en Afbeelding 2). Na afloop van het experiment wordt uitgelegd dat het experiment over intuitive physics gaat en wat dit precies is.

Experiment I

- Vier bekerglazen gevuld met vloeistoffen met een verschillende viscositeit.

- Van lage naar hoge viscositeit: water (9,78 E-4 Pa*s), squall (7,12E-2 Pa*s), honing(2,73E Pa*s) , haargel (shear thinning van 6,37E Pa*s bij een shear rate van 1 s^-1 naar 0,34 E-1 bij een shear rate van 1000 s^-1 )

- Stalen kogeltje - Roerstaaf - Camera

- PowerPoint presentatie met 4 meerkeuzevragen (Bijlage) - TurningPoint stemkastjes en software

Uitvoering

Als eerste wordt van elke vloeistof een filmpje gemaakt waarin geroerd wordt om de proefpersonen een idee van de viscositeit van de vloeistof te geven zoals weergeven in Afbeelding 3.

Vervolgens wordt van elke vloeistof gefilmd hoe een kogeltje door de vloeistof valt (Afbeelding 4). Hiervan worden schermafbeeldingen gemaakt op vijf tijdstippen tussen het moment dat het kogeltje wordt

losgelaten boven het oppervlak van de vloeistof en het moment dat het kogeltje de bodem van het bekerglas raakt (Afbeelding 5). De momenten waarop de video wordt stilgezet, verschilt per vloeistof omdat de kogel sneller valt door een minder visceuze dan door een meer visceuze vloeistof. Belangrijk is dat er van elke vloeistof een schermafbeelding is bij 0,2 seconden, wat beschouwd wordt als het juiste antwoord, omdat de getoonde tijdlijn afloopt in 0,2 seconden.

Afbeelding 3: Schermafbeelding uit filmpje waarin de

viscositeit van honing getoond wordt door te roeren.

Afbeelding 5: Schermafbeeldingen tussen het loslaten van het kogeltje

en het moment dat het kogeltje de bodem raakt.

Afbeelding 4: Schermafbeelding van filmpje waarin

Er wordt een presentatie gemaakt met vier meerkeuzevragen. Voorafgaand aan elke vraag wordt voor elke vloeistof een filmpje getoond waarin te zien is dat er geroerd wordt in de desbetreffende vloeistof (Afbeelding 3) en dat het kogeltje boven het oppervlak van de vloeistof wordt losgelaten (Afbeelding 4) Vervolgens komt er een tijdlijn in beeld die de tijd laat zien die verstrijkt tussen het stoppen van de video en de schermafbeeldingen in de vraag (0,2 seconden) (Afbeelding 6). Daarna wordt aan de proefpersonen de meerkeuzevraag gesteld welke van de vijf schermafbeeldingen gemaakt is bij 0,2 seconden (Afbeelding 7). De proefpersonen hebben 10 seconden om de vraag te beantwoorden met behulp van de stemkastjes van TurningPoint. De resultaten worden opgeslagen en verwerkt door de software van TurningPoint.

Experiment II

- Vier bekerglazen waarvan drie gevuld zijn met verdund glycerol (6,04E-3 Pa*s) en één gevuld met verdunde haargel (shear thinning viscositeit van 3,34E-2 Pa*s bij een shear rate van 1 s^-1 tot een viscositeit van 6,38E-4 bij een shear rate van s^-1000 s^-s^-1).

- 2 glazen buizen - 2 pipetballonnen - 2 even zware kogeltjes - Camera

- Powerpoint presentatie met 2 meerkeuzevragen (Bijlage) - TurningPoint stemkastjes en software

Uitvoering

Als eerste wordt gefilmd hoe twee kogeltjes met dezelfde gemiddelde snelheid door verdunde glycerol (newtoniaanse vloeistof) en verdunde haargel (shear thinning vloeistof) vallen (Afbeelding 8). Vervolgens wordt in de glazen buizen met pipet-ballonnen uit beide bekerglazen evenveel vloeistof gezogen. Er wordt gefilmd hoe deze buizen tegelijk leeglopen (Afbeelding 9). Er is te zien dat de buis met verdunde haargel sneller leegloopt dan de buis met verdunde glycerol. Dezelfde Afbeelding 6: Getoonde tijdlijn tijdens

het experiment (0,2 sec.).

Afbeelding 7: Voorbeeld van meerkeuze vraag

procedure wordt herhaald voor twee bekerglazen gevuld met dezelfde verdunde glycerol. Bij het leeglopen is te zien dat beide buisjes dan met dezelfde snelheid leeglopen.

Er wordt een presentatie gemaakt met twee meerkeuzevragen. Voorafgaand worden de filmpjes getoond waarin de kogeltjes tegelijk bewegen in de bekerglazen. Daarna worden de filmpjes getoond waarin te zien is hoe de buisjes leeglopen. In beide filmpjes wordt de verdunde haargel aangeduid als vloeistof 1 en verdunde glycerol als vloeistof 2. Nadat de proefpersonen de filmpjes hebben gezien wordt hen de vraag gesteld of vloeistof 1 in beide filmpjes dezelfde vloeistof is en of

vloeistof 2 in beide filmpjes dezelfde vloeistof is (Afbeelding 10). Als controle-experiment wordt deze

vraag ook gesteld als beide bekerglazen gevuld zijn met verdunde glycerol. De proefpersonen beantwoorden de vragen met stemkastjes van TurningPoint. Zij hebben 10 seconden de tijd om te antwoorden. De resultaten worden opgeslagen en verwerkt door de software van TurningPoint.

Afbeelding 8: Schermafbeelding uit filmpje waarin

wordt getoond dat de effectieve viscositeit van Vloeistof 1 en Vloeistof 2 gelijk zijn.

Afbeelding 10: Voorbeeld van meerkeuzevraag gesteld tijdens

experiment 2.

Afbeelding 9: Schermafbeelding uit filmpje

waarin wordt getoond dat buisjes met Vloeistof 1 en Vloeistof 2 niet even snel leeglopen.

Resultaten

Experiment I

In Figuur 3-6 staan de resultaten van experiment I weergegeven per vloeistof. De groene markering geeft aan wat het juiste antwoord is (het balletje op de plek na 0,2 sec.). De foto’s van de bekerglazen met daarin het balletje zijn de keuzemogelijkheden die de deelnemers kregen. Wat opvalt is dat de antwoorden van de studenten en de experts zeer sterk overeenkomen. Daarnaast laten Figuur 3-6 zien dat de alle proefpersonen, zowel studenten als experts, over het algemeen beter scoren bij de vloeistoffen met een extremere viscositeit; zoals water, dat een zeer lage viscositeit heeft, en haargel, dat een zeer hoge viscositeit heeft.

Figuur 3: De gegeven antwoorden bij het bekerglas gevuld met water, weergegeven in percentages. Het juiste

Figuur 5: De gegeven antwoorden bij het bekerglas gevuld met honing, weergegeven in percentages. Het juiste

antwoord is groen omrand.

Figuur4: De gegeven antwoorden bij het bekerglas gevuld met Squall, weergegeven in percentages. Het juiste

Figuur 6: De gegeven antwoorden bij het bekerglas gevuld met haargel, weergegeven in percentages. Het juiste antwoord

is groen omrand.

Experiment II

Figuur 7 en Figuur 8, weergegeven op de volgende pagina, tonen de resultaten van experiment II. De groene markeringen geven de juiste antwoorden aan. Net als in experiment I is het ook hier opvallend dat de antwoorden van de studenten en experts niet veel van elkaar verschillen. Bovendien tonen Figuur 7 en Figuur 8 dat de antwoorden ‘ja’ en ‘nee’ ongeveer gelijk vertegenwoordigd zijn.

Figuur 7: De gegeven antwoorden bij het filmpje waarin er één newtoniaanse vloeistof en

Figuur 8: De gegeven antwoorden bij het filmpje waarin er twee (dezelfde) newtoniaanse

Discussie en conclusie

Experiment I

Uit de resultaten van experiment I kunnen een aantal conclusies worden getrokken. Ten eerste kan worden opgemerkt dat bij de extreme viscositeiten (water met een erg lage viscositeit en haargel met een erg hoge viscositeit) de meeste goede antwoorden zijn gegeven. Dit is zowel het geval voor de studentengroep als voor de expertgroep. Daarnaast is te zien dat er over het algemeen consensus heerst over waar het balletje zich na 0,2 seconden in de vloeistof bevindt. Bij de vloeistoffen water en haargel is de consensus over het antwoord in lijn met het daadwerkelijk juiste antwoord. Bij honing is er ook gedeeltelijke consensus aanwezig, al is deze echter niet natuurkundig correct. Bij de vloeistof Squall zijn de antwoorden het meest verdeeld en is er dus in mindere mate consensus. Dat er sprake is van consensus tijdens de uitgevoerde experimenten, geeft aan dat er intuitive physics bestaat voor de viscositeit van vloeistoffen. Deze intuitive physics is het meest effectief bij extreme viscositeiten. Daarnaast is er een afwijking te zien in de keuzes; zowel de studentengroep als de expertgroep kiezen vaker voor een antwoord waarin de vloeistof als meer visceus wordt bestempeld dan die in werkelijkheid is. Zowel de studentengroep als de expertgroep geven gemiddeld even vaak het verkeerde antwoord. Uit de resultaten van experiment I kan geconcludeerd worden dat er sprake is van intuitive physics voor de algemene eigenschappen van de viscositeit van vloeistoffen, maar dat deze niet in lijn is met de daadwerkelijke natuurkundige eigenschappen van de onderzochte vloeistoffen. De intuitive physics van de expertgroep verschilt niet met die van de studentengroep en laat dezelfde afwijking zien. Hieruit wordt duidelijk dat de intuitive physics van de expertgroep niet veranderd of verbeterd is door hun extra theoretische kennis ten opzichte van de studentengroep.

Experiment II

Experiment II toont aan dat er voor de minder algemene eigenschappen van de viscositeit van vloeistoffen geen intuitive physics bestaat. Wanneer wordt getest of de groepen het verschil tussen newtoniaanse en shear thinning vloeistoffen intuïtief begrijpen, blijkt dat er geen consensus is in het gekozen antwoord. De antwoorden ‘ja’ en ‘nee’ worden ongeveer even vaak gekozen. Dit is het geval voor zowel de studentengroep als de expertgroep. Dat er geen consensus heerst binnen de groepen over de vraag of het mogelijk is dat twee vloeistoffen dezelfde effectieve viscositeit hebben maar één buisje sneller leegloopt dan het andere buisje, laat zien dat er geen intuitive physics is voor de

viscositeit van vloeistoffen van zowel studenten als experts op een minder basaal niveau. Ook wordt duidelijk dat net als in experiment I, de expertgroep niet beter presteert dan de studentengroep. Hieruit kan geconcludeerd worden dat er geen intuitive physics bestaat op een minder algemeen niveau, wanneer iemand meer theoretische kennis heeft.

Intuitive physics en expertise

Uit de interpretatie van experiment I en experiment II, die uiteengezet zijn in de bovenstaande alinea’s, kan de algemene conclusie worden getrokken dat expertise op basis van theoretische kennis geen invloed heeft op intuitive physics voor de viscositeit van vloeistoffen. In dit onderzoek worden experts vergeleken met studenten. De expertgroep heeft meer specifieke theoretische kennis over het gedrag van vloeistoffen, waaronder de viscositeit. De resultaten uit dit onderzoek tonen aan dat

intuitive physics voor de basale eigenschappen van viscositeit (experiment I) niet anders is in de

expertgroep dan in de studentengroep. Een verklaring voor deze bevinding is dat denken vanuit

intuitive physics via een automatisch proces gaat (DiazGranados, Rosen & Salas, 2010). Aanvullende

specifieke theoretische kennis lijkt geen controle te kunnen uitoefenen op dit automatische proces. Het cognitieve proces waarin intuitive physics voor de viscositeit van vloeistoffen een rol speelt, wordt niet beïnvloed door theoretische kennis. Intuitive physics bereikt ook geen ‘hoger niveau’ door extra theoretische kennis. Dat wil zeggen dat voor minder algemene eigenschappen van de viscositeit van vloeistoffen (zoals bijvoorbeeld het verschil tussen newtoniaanse en shear thinning vloeistoffen) er geen intuitive physics bestaat, ook niet wanneer iemand meer theoretische kennis heeft op dit specifieke gebied.

Aanbevelingen

Bij de interpretatie van de resultaten is het belangrijk om een aantal punten in acht te nemen. Omdat gebruik is gemaakt van het TurningPoint systeem, kunnen antwoorden niet gekoppeld worden aan specifieke proefpersonen. Ook zijn niet op elke vraag evenveel antwoorden gegeven. Deze twee gegevens maken het moeilijk om statistische analyses te doen. Omdat er bijvoorbeeld geen ANOVA gedaan kan worden, is het niet mogelijk om de significantie van het onderzoek aan te tonen. Daarnaast is er ook op een aantal andere vlakken nog ruimte voor verbetering in vervolgonderzoek binnen dit thema. Zo hebben de gebruikte vloeistoffen verschillende kleuren, wat het antwoord van de proefpersoon zou kunnen beïnvloeden. Verder zijn de studenten-deelnemers allemaal geworven op de Universiteit van Amsterdam, in vervolgonderzoek zou men een bredere groep proefpersonen

kunnen gebruiken of wellicht kunnen kijken naar het verschil tussen intuitive physics van kinderen en experts. Bovendien is het belangrijk dat er in vervolgonderzoek gebruik gemaakt wordt van een grotere steekproef. Ten slotte is het lastig vast te stellen of de proefpersonen alleen van hun intuïtieve, automatische proces gebruik hebben gemaakt. Er is namelijk naast de 10 seconden om de vraag te beantwoorden, ook tijd gegeven om de vragen te lezen en eventueel nader toe te lichten. Het is mogelijk dat, in de totale tijd, de proefpersonen naast hun intuitive physics ook hun reflectieve proces hebben kunnen gebruiken.

Er is duidelijk geworden dat experts met specifieke theoretische kennis geen andere intuitive

physics hebben dan studenten zonder deze extra kennis. Deze bevinding wordt verklaard met het feit

dat intuitive physics via een automatisch proces verloopt (DiazGranados, Rosen & Salas, 2010; Baumard & Boyer, 2013). Vervolgonderzoek zou zich kunnen richten of het reflectieve proces, dat een langzaam, expliciet en algemeen proces is, wél verandert door theoretische expertise. Dit zou gedaan kunnen worden door het tijdsdruk-element in het onderzoek weg te laten, zodat niet het intuïtieve proces gebruikt wordt maar juist het reflectieve proces.

Dit onderzoek heeft zich gericht op de vraag of specifieke, theoretische kennis intuitive

physics kan veranderen. Dit blijkt niet het geval. Het zou erg interessant zijn om vervolgonderzoek te

doen om te kijken of praktische ervaring intuitive physics wél kan beïnvloeden. Op basis van het onderzoek van Sherin uit 2006 kan men verwachten dat wanneer mensen meer praktische expertise hebben, hun intuitive physics verandert. Sherin (2006) stelt namelijk dat intuitive physics via een actief proces verloopt en veelal wordt gebruikt bij het praktisch oplossen van problemen. Hij suggereert om deze reden dat intuitive physics met veel praktische oefening veranderd kan worden. Sherin houdt vast aan de gedachte dat niet theoretische kennis, maar juist het actief oplossen van problemen ervoor zorgt dat intuitive physics veranderd kan worden. Vervolgonderzoek naar dit standpunt bij intuitive physics voor de viscositeit van vloeistoffen zou een mooie vergelijking kunnen opleveren van de invloed van theoretische kennis enerzijds en praktische kennis anderzijds op

intuitive physics. Deze vergelijking kan een interessante bijdrage leveren aan het debat over de

Literatuurlijst

Anderson, J.R., 2000. Cognitive Psychology and its Implications, fifth ed. Worth Publishing, New York. Bates, C. J., Yildirim, I., Tenenbaum, J. B., & Battaglia, P. W. (2015). Humans predict liquid dynamics using probabilistic simulation. In Proceedings of the 37th annual conference of the cognitive science

society.

Baumard, N., & Boyer, P. (2013). Religious beliefs as reflective elaborations on intuitions: A modified dual-process model. Current Directions in Psychological Science, 22(4), 295-300.

Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O., & Curtiss, C. F. (1977). Dynamics of polymeric liquids (Vol. 1, p. 210). New York: Wiley.

Brent Strickland: meerdere malen geïnterviewd in de periode november - december 2016.

Brent Strickland is werkzaam als onderzoeker op het gebied van cognitie voor het French National

Center for Scientific Research (NCRS) op het Ecole Normale Superieure/Institut Jean Nicod. Hij houdt

zich bezig met core knowledge dat hij definieert als een cognitief systeem dat al vroeg in de menselijke ontwikkeling tot uiting komt. Op dit moment onderzoekt hij op welke manier deze core knowledge automatisch en onbewust doorwerkt bij volwassenen.

Brock, R. (2015). Intuition and insight: two concepts that illuminate the tacit in science education.

Studies in Science Education, 51(2), 127–167.

Cellier, J. M., Eyrolle, H., & Mariné, C. (1997). Expertise in dynamic environments. Ergonomics, 40(1), 28-50.

Chi, M. T. H., Glaser, R., & Farr, M. J. (1988). The nature of expertise. Hillside.

Chi, M.T. H. & Slotta, J. (1993). The Ontological Coherence of Intuitive Physics. Cognition and

Evans, J. S. B. (2008). Dual-processing accounts of reasoning, judgment, and social cognition. Annual

Review of Psychology, 59, 255–278.

Farrington-Darby, T., & Wilson, J. R. (2006). The nature of expertise: A review. Applied ergonomics,

37(1), 17-32.

Gobet, F., & Chassy, P. (2009). Expertise and intuition: A tale of three theories. Minds and Machines,

19(2), 151-180.

Hespos, S.J., Ferry, A., Rips, L. (2009). Five-month-old infants have different expectations for solids and substances. Psychological Science, 20, (5), 603-611.

Jones, R. A. (2002). Soft condensed matter (Vol. 6). Oxford University Press. Kahneman, D. (2011). Thinking, fast and slow. Macmillan.

Kaiser, M. K., Proffitt, D. R., Whelan, S. M., & Hecht, H. (1992). Influence of animation on dynamical judgments. Journal of experimental Psychology: Human Perception and performance, 18(3), 669. Kawabe, T., Maruya, K., Fleming, R. W., & Nishida, S. Y. (2015). Seeing liquids from visual motion.

Vision research, 109, 125-138.

Krist, H. (2000). Development of naive beliefs about moving objects: The straight-down belief in action. Cognitive Development, 15(3), 281-308.

Krist, H., Fieberg, E. L., & Wilkening, F. (1993). Intuitive physics in action and judgment: The development of knowledge about projectile motion. Journal of Experimental Psychology: Learning,

Memory, and Cognition, 19(4), 952.

Marton, F. (1993). Our Experience of the Physical World. Cognition and Instruction, 10(2/3), 227-237. McCloskey, M. (1983). Intuitive physics. Scientific american, 248(4), 122-130.

McCloskey, M., Caramazza, A., & Green, B. (1980). Curvilinear motion in the absence of external forces: Naive beliefs about the motion of objects. Science, 210(4474), 1139-1141.

McCloskey, M., Washburn, A., & Felch, L. (1983). Intuitive physics: The straight-down belief and its origin. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition, 9(4), 636.

Salas, E., Rosen, M. a., & DiazGranados, D. (2010). Expertise-Based Intuition and Decision Making in Organizations. Journal of Management, 36(4), 941–973.

Sanborn, A. N., Mansinghka, V. K., & Griffiths, T. L. (2013). Reconciling intuitive physics and Newtonian mechanics for colliding objects. Psychological review, 120(2), 411.

Sherin, B. (2006). Common sense clarified: The role of intuitive knowledge in physics problem solving. Journal of research in science teaching, 43(6), 535-555.

Bijlage

Presentatie gebruikt tijdens psychologisch experiment

Dia 1

Experiment thema III

Dia 2

Practising with TurningPoint

A. 3 B. 4 C. 2 D. 6 E. 5 What is 1+1 ?

Dia 3

Explanation of experiment 1

In a bit, 4 short movies will be showed of different fluids.

In the end of every movie a steel, solid ball falls into the fluid.

But: the fall of this ball is not shown in complete. Assume that the fall continues after the end of the video.

After every video, a descending timeline is shown, and you will be quenstioned

where the ball is after the end of the timeline. Attention! The timeline is very short (0.2 sec)

Choose A, B, C, D or E on Turningpointas soon as possible

Dia 4

Dia 5

Dia 6 Question 1 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 E. 5 1 2 3 4 5 Dia 7 Dia 8 Timeline

Dia 9 Question 2 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 E. 5 12345 0%0%0%0%0% 1 2 3 4 5 Dia 10 Dia 11 Timeline

Dia 12 Question 3 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 E. 5 1 2 3 4 5 Dia 13 Dia 14 Timeline

Dia 15 Question 4 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 E. 5 1 2 3 4 5 Dia 16 Explanation of experiment 2

In a bit, two different video’s are shown.

First it is shown that the viscosity of two fluids are equal with help of the fall of a little steel ball.

Second, two tubes filled with fluids are emptied.

After the two video’s follows a question which can be answered with A or B.

Dia 17

Dia 18

Question 1

A. Yes B. No

Are liquids 1 and 2 in the first video the same as liquids 1 and 2 in the second video?

Dia 19

Vloeistof 1 Vloeistof 2 Vloeistof 1 Vloeistof 2

Dia 20

Question 2

A. Yes B. No

Are liquids 1 and 2 in the first video the same as liquids 1 and 2 in the second video?

Dia 21

Thank you for your cooperation!

Viscositeitmetingen

Tabel 1: Overzicht gemeten gemiddelde viscositeit.

Vloeistof Viscositeit (Pa·s)

Water 9,78*10-4

Squall 0,0712

Honing 27,30