Natuurkunde-vraagstukken-oplossen : een vakdidactische studie van het leren oplossen van natuurkundevraagstukken in klas vier vwo

Natuurkunde-vraagstukken-oplossen : een vakdidactische

studie van het leren oplossen van natuurkundevraagstukken

in klas vier vwo

Citation for published version (APA):

Berg, van den, J. S. (1983). Natuurkunde-vraagstukken-oplossen : een vakdidactische studie van het leren oplossen van natuurkundevraagstukken in klas vier vwo. Technische Hogeschool Eindhoven.

https://doi.org/10.6100/IR103493

DOI:

10.6100/IR103493

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1983

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

,...

r Q

_"'

""

NATUURKUNOE-VRAAGSTUKKEN-OPLOSSEN

Een vakdidactische studie van het leren oplossen van natuurkundevraagstukken in klas vier vwo

BtBLIOTHEEK

1----~~---1

8

3110tH

T.H.EINDHOVEN

PROEFSCHRIFT

ter verkrijging van de graad van doctor in de technische wetenschappen aan de Technische Hogeschool Eindhoven,

op gezag van de rector magnificus, prof dr. S. T. M. Ackermans, voor een commissie aangewezen door het college van dekanen

in het openbaar te verdedigen op vrijdag 9 december 1983 te 16.00 uur

door

JACOB SAKE VAN DEN BERG

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren: Prof. dr. J. H. Raat en Prof. dr. F. K. Kieviet

1---...

-··· .... , .. -...

.

... ·

)HQIJ1'':J . ,

·r

"t..:.:1.

Voor Leonoor en de kinderen Aan mijn ouders

WOORDEN VAN DANK

Mijn promotor, prof. dr. Jan Raat, wil ik bedanken voor het feit, dat hij al met mij in zee is gegaan toen ik nog 30 uur per week les gaf. Zonder zijn talent voor het vinden van wegen en zijn inzet zou het onderzoek niet uitgevoerd zijn. Hij zette mij op het spoor van de vraagstelling, waarvoor wij in overleg de vakdidactische uitwerking vonden. Hij liet mij veel vrijheid, maar gaf toch op de juiste momenten die impulsen en stimulansen die tot uitvoering en afronding van het project hebben geleid. Hij heeft mij een aantal wezenlijke onderdelen van het natuurkundeonderwijs doen onderkennen.

Mijn promotor, prof. dr. Frans Kieviet, wil ik bedanken voor zijn in-houdelijke inbreng bij de begeleiding. Zijn adviezen, correcties en aan-vullingen bij de vormgeving van het proefschrift worden door mij hoog gewaardeerd.

Prof. dr. Wim Vaags wil ik graag danken voor de ondersteuning die hij, samen met Dick Rabbinowitsch, heeft gegeven bij de verwerking van de antwoorden op de vragenlijsten en bij de interpretatie van de uitkomsten. Prof. dr. R. Doornbos heeft mij gewezen op de benodigde statistische methoden. Mondeling en schriftelijk heeft hij mij regelmatig en snel adviezen en de nodige aanwijzingen gegeven. Voor deze bijdrage dank ik hem hartelijk.

De docenten van de werkgroep: Bert van den Berg, Tineke Bloembergen, Nico van der Bijl, Ciska Gordeau, !eke Haarsma, Chris van de Jagt, Frans Minjon, Reinier Pilon. Gerrit Roest, Pieter Jan Visser en student Henk Bruijns, ben ik veel dank verschuldigd. Zonder hun medewerking en die van hun leerlingen zou er geen veldexperiment mogelijk zijn geweest. Ondanks de moeilijkheden die het project hen soms bezorgde hebben ze tot het laatste moment de nodige activiteiten willen verrichten.

De docenten van de controle groep en hun leerlingen dank ik voor de tijd en de inzet die ze hebben willen geven voor het maken van de proefwerken. De verschillende collega's in hetland en het CITO dank ik voor de hulp die zij hebben gegeven bij het opstellen van de toetsen.

Het bestuur van het Natuurkundig Laboratorium van de Vrije Universiteit en zijn voorzitter prof. dr. J. Blok ben ik erkentelijk voor de gelegen-heid die zij mij in de jaren 1980 en 1981 hebben gegeven voor het

-5-verrichten van het eerste deel van mijn onderzoek. Eenzelfde dankwoord, betreffende het tweede deel van het onderzoek, gaat uit naar het bestuur van de Afdeling der Technische Natuurkunde van de Technische Hogeschool Eindhoven en zijn decaan prof. dr. H.M. Gijsman.

Bestuur en directie van de Prof. dr. S. Greydanusschool te Zwolle dank ik voor de gelegenheid die zij mij hebben willen geven voor mijn pro-motiestudie. De rector, drs. A. Poortinga, en de waarnemend rector, ir. G. Boersma, zijn aan veel van mijn wensen tegemoet gekomen. Hier-door konden verschi 11 ende prob lemen opge 1 ost worden.

Mijn collega Bert van den Berg heeft het in de laatste twee jaar in veel zaken moeten doen zonder de inbreng die hij van mij had mogen verwachten. Zijn collegialiteit en ondersteuning worden door mij zeer g~waardeerd.

Helga Pouwels dank ik voor de inzet waarmee zij het manuscript heeft willen typen. Mede door haar toewijding is de tijdsplanning gehaald. Wat mijn vrouw, Leonoor, aan het tot stand komen van dit proefschrift heeft bijgedragen is niet onder woorden te brengen. Zij en de kinderen verdienen dat er de komende tijd veel wordt goedgemaakt voor de opof-feringen die ze zich de afgelopen jaren getroost hebben.

INHOUDSOPGAVE

1. Algemene inleiding • • • • • • . • • • . . . • . 1.0. Introductie en opbouw van het proefschrift 1.1. Vraagstukken in het natuurkundeonderwijs 1.2. Natuurkundeonderwijs

1.3. Enkele achtergronden van het onderzoek 1.4. Aanduiding van de probleemstelling 2. Theoretische overwegingen • • • • • • •

2.0. Inleiding • • • . . • . • • • . . .

2.1. Elementen bij het oplossen van natuurkundevraagstukken. 2.1.1. Te onderwijzen vakinhoudelijke kennis en het

kenni sbes tand . . . • • 2.1.2. Elementaire denkhandelingen . 2.1.3. Oplossingsprocedures . . . 2.1.4. Heuristieken in het onderwijs

2.2. 'Inzicht' bij het oplossen van natuurkundevraagstukken 2.2.1. Inzicht als cognitieve toestand en als cognitief

proces . . • • • • • . . . . • . • . . • . . . 2.2.2. 'Inzichtssprong'? • • . • • . . . • . • . 2.2.3. Inzicht als subjectieve ervaring nader bekeken 2.2.4. 'Inzicht' en vraagstukken

3. Uitwerking van de probleemstelling 3.0. Inleiding • • • •

3 .1. Het aanpakgedrag . • • . • . 3.2. Het prestatieniveau • • . . • 3.3. Aanvullende vragen en verwachtingen 4. Beschrijving van het experiment . . • .

4.0. Inleiding • • • • • • • • . • • . . 4.1. Onderzoeksopzet en onderzoeksvragen

4.2. Het experimentele onderwijsleerproces en de voorbereiding ervan • • . • . . • • • • • . .

4.2.1. Keuze van klas vier vwo 4.2.2. Keuze van het boek 4.2.3. De docenten 4.2.4. De werkgroep ••• -7-11 11 17 19 23 29 31 31 34 37 44 46 52 60 61 63 65 67 70 70 70 73 76 79 79 80 85 85 86 87 88

4.2.5. De heuristieken . . . 90 4.2.6. De leerstofschema's . . . 93 4.2.7. Afspraken over het onderwijsleerproces 94 4.3. Onderzoeksinstrumenten en het gebruik ervan 98 4.3.1. De proefwerken . . . 99 4.3.1.1. a-score en p-score . . . 103 4.3.1.2. Objectiviteit van de correctie 108 4.3.2. De vragenlijst . . . 109 4.4. Experimentele groep en controle groep 111

4.5. Uitvoering van het experiment 113

5. Resultaten 115

5.0. Inleiding . . . 115

5.1. De proefwerken . 115

5.1.0. Inleiding 115

5.1.0.1. Toegepaste statistische methoden 116 5.1.0.2. Gebruikte afkortingen en symbolen 121 5.1.1. Ingangstoets . . . 122 5.1.1.1. Vergelijking van de EG-m, de EG-z en de CG 123 5.1.1.2. Vergelijking van de EG-m, de EG-z ~n de CG

uitgesplitst naar jongens en meisjes 124 5.1.1.3. Vergelijking van meisjes en jongens 126 5.1.1.4. Samenvatting . . . 126 5.1.2. Proefwerk beweging . . . 127 5.1.2.1. Vergelijking van de EG-m, de EG-z en de CG 127 5.1.2.2. Vergelijking van de EG-m, de EG-z en de CG

uitgesplitst naar jongens en meisj~s 128 5.1.2.3. Vergelijking van meisjes en jongens 131 5.1.2.4. Uitsplitsing naar vraagstuk 132 5.1.2.5. Samenvatting . . . 133 5.1.3. Proefwerk krachten . . . 134 5.1.3.1. Vergelijking van de EG-m, de EG-z en de CG 135 5.1.3.2. Vergelijking van de EG-m, de EG-z en de CG

uitgesplitst naar jongens en meisjes 136 5.1.3.3. Vergelijking van meisjes en jongen~ 137 5.1.3.4. Uitsplitsing naar vraagstuk 139

5 . . 4. Transfertoets 140 5.1.4.1. Vergelijking van de EG-m, de EG-z en de CG 141 5.1.4.2. Vergelijking van de EG-m, de EG-z en de CG

5.2.

uitgesplitst naar jongens en meisjes 5.1.4.3. Vergelijking van meisjes en jongens 5.1.4.4. Samenvatting

5.1.5. Samenhang aanpakgedrag-prestatieniveau 5.1.6. Samenvatting

De vragenlijst . . . . 5.2.0. Inleiding . . . .

5.2.1. Onderzoek met behulp van principale componenten analyse . . . .

5.2.1.0. Inleiding . . . .

5.2.1.1. P.c.a. vragenlijst EG; algemeen,

proef-142 144 145 146 149 153 153 153 153

\.;erken, heuristieken en leerstofschema's 156

5.2.1.2. P.c.a. vragenlijsten EG en CG; algemeen

en proefwerken 158

5.2.2. Resultaten op een aantal afzonderlijke vragen 165

5.2.2.1. Kenmerkende vragen per component . . 166

5.2.2.2. Verschillen tussen de EG en de CG . 170

5.2.2.3. Verschillen tussen jongens en meisjes 172

5.2.3. Samenhang tussen de uitkomsten op de vragenlijst en

die op de proefwerken 174 5.2.4. Samenvatting 177 6. Discussie . 6.0. Inleiding 6.1. De vragenlijsten 6.2. De proefwerken • 6.3. Mogelijk vervolgonderzoek Samenvatting . . . Bijlagen . . . . 1. Basisheuristiek 2. Heuristisch schema 3. Leerstofschema Beweging 4. Leerstofschema Krachten 5. Leerstofschema Behoudswetten -'J-180 180 180 186 190 195 201 203 204 206 207 208

6. Proefwerk Electriciteit-1 7. Proefwerk Beweging

8. Proefwerk Krachten

9. Proefwerk Electriciteit-2

10. Vragenlijst: algemeen gedeelte en over de proefwerken 11. Vragenlijst: heuristieken en leerstofschema's • • • • 12. Gemiddelde scores per docent; proefwerk electriciteit-1 13. Gemiddelde scores per docent; proefwerk beweging • • . • 14. Gemiddelde scores per docent; proefwerk krachten • • • • 15. Gemiddelde scores per docent; proefwerk electriciteit-2 L i teratuur

Summary

Curriculum Vitae

Wanneer in dit proefschrift geschreven wordt: 'leerling', 'leraar' of 'docent', dan worden tevens 'leerlinge'. 'lerares' of 'docente' bedoeld. In bet algemeen staan mannelijke vonaen dus ook voor vrou-welijke vonaen van bepaalde woorden.

In de tekst worden enkele malen engelse termen gebruikt. De schMjver verontschuldigt zich hiervoor. Een exacte vertaling of omschrijving van deze tenaen drukt naar zljn gevoelen niet geheel uit wat hij zeggen wil. De handelingspsychologiscbe uitgangspunten waarbij hij zich veelal aansluit laten geluktdg ruimte voor deze nlet-rationele, maar psycho-logisch reele aspecten van bet menselijke handelen.

209 211 213 216 218 226 230 231 232 233 235 249 253

Hoofdstuk 1 ALGEMENE INLEIDING

1.0 INTRODUCTIE EN OPBOUW VAN HET PROEFSCHRIFT

Veel leerlingen, vooral van de bovenbouw havo en vwo, vinden natuurkunde een moeilijk vak. Een belangrijk aspect daarbij is de toenemende com-plexiteit van de vraagstukken die opgelost moeten worden. Onder vraag-stukken worden hier de opgaven verstaan zoals die in leerboeken voor-komen en die schriftelijk opgelost dienen te worden.

In dit proefschrift wordt, mede op basis van een experiment in klas vier vwo, ingegaan op de vraag hoe aan leerlingen geleerd zou kunnen worden op een zinvolle manier met natuurkundevraagstukken om te gaan.

De laatste jaren is veel aandacht gegeven aan 'problem-solving'. Er is een opleving van de denkpsychologie. Het leren-denken krijgt vanuit verschillende invalshoeken veel aandacht. Het leren-probleemoplossen is hiervan een afzonderlijk onderdeel. Nadere bestudering van water op dit terrein verschenen is, brengt twee problemen aan het licht voor wat betreft de probleemstelling van het leren oplossen van vraagstukken bij natuurkunde. De opgaven die in de literatuur veelal vermeld worden wij-ken nogal af van de vraagstukwij-ken die bij het gewone klassikale onder-wijs gebruikt worden; veel resultaten, die beschreven worden, zijn dan ook niet direct toe te passen in de schoolklas. Onderzoeken, die wel gericht zijn op het leren-oplossen van meer schoolse vraagstukken, heb-ben veelal betrekking op het natuurkundeonderwijs in de onderbouw van het voortgezet onderwijs of op het universitaire niveau. Op het niveau van de bovenbouw van het havo en vwo is er wat Nederland betreft tot nu toe weinig aandacht voor geweest. Gezien de moeilijkheden, die er zijn, is onderzoek naar het leren-oplossen van natuurkundevraagstukken in de bovenbouw van havo en vwo wenselijk.

Als leerlingen in klas vier vwo of havo zelf een vraagstuk moeten op-lossen lukt hen dit vaak niet. De docent maakt dan soms het vraagstuk

-11-voor. Als dit gebeurd is zeggen de leerlingen veelal het te begrijpen, maar een daaropvolgend vraagstuk kunnen ze dan toch niet altijd zelf-standig oplossen. De leerlingen zeggen dikwijls, dat ze niet weten hoe ze moeten beginnen. De handelingen die de leraar uitvoert kunnen ze wel vo 1 gen, het moeil ij ke punt is echter hoe men ze 1f op het idee komt dit of dat te doen. Deze moeilijkheid van de leerlingen wordt hier aange-duid met de term 'aanpakimpasse' van de leerlingen. Een leerling die niet weet hoe hij moet beginnen met het oplossen van een vraagstuk ver-keert in een aanpakimpasse.

Het is natuurlijk niet zo, dat alle leerlingen moeilijkheden hebben met het begin van het oplossen van een vraagstuk, of dat dit probleem

zi ch bij a 11 e vraagstukken voordoet. De prob 1 emati ek a ls zodani g doet zich echter in de klas regelmatig voor.

Op examens en bij proefwerken staan leerlingen voor de taak vraagstukken op te lossen. Allen zijn dan gedwongen iets te doen. Analyse van het gedrag dat leerlingen dan vertonen bij het oplossen van vraagstukken laat zien, dat veel leerlingen een onsystematische trial and error aan-pak vertonen. Hun werkwijze is vaak niet zoals een leraar zou wensen. Als men de gedragingen van een leerling beschouwt als handelingen die hij achter elkaar uitvoert, dan zou men kunnen spreken van ~en 'onge-wenst-handelings-verloop'. Oit gedrag kan zich voordoen bij het begin van het oplossen van een vraagstuk, het komt ook voor bij het verdere verloop van het oplossingsproces.

Een ongewenst-handelings-verloop wil niet zonder meer zeggen dat het vraagstuk niet opgelost wordt. Een aantal leerlingen komt er ook langs deze weg nog wel uit. Het wil wel zeggen, dat de kans op vastlopen groter wordt. En ook, dat deze aanpak nog niet getuigt van een analy-tische houding van de leerling.

De aanpakimpasse en het ongewenst-handelings-verloop zijn twee belang-rijke moeilijkheden die zich voordoen bij de leerlingen bij het oplos-sen van vraagstukken. Zij vormen dan ook twee aandachtspunten bij het leren oplossen van en leren omgaan met natuurkundevraagstukken.

Het hier beschreven onderzoek is voortgekomen uit het onderfoeksproject 'eindexamen natuurkunde vwo', dat een aantal jaren geleden Oitgevoerd is in de vakgroep didactiek natuurkunde aan de VU te Amsterdam.

Hierbij werd de vraag onder ogen gezien hoe en in welke mate het 'in-zicht' van de leeringen bij het eindexamen vwo wordt getoetst. Het pro-ject stond onder leiding van J.H. Raat en werd uitgevoerd door J.W. Stumpel. Als een leerling een vraagstuk niet kan oplossen, wordt vaak de conclusie getrokken dat hij geen 'inzicht' heeft, geen 'inzicht' in de natuurkunde. Hierbij wordt er van uit gegaan dat met behulp van vraagstukken het 'inzicht' van de leerlingen is te meten. Door de vorm en de inhoud van de vraagstukken te wijzigen kan er dan meer of minder 'inzicht' gemeten worden. Zo kunnen examenvraagstukken meer of minder de bedoeling hebben het 'inzicht' van de leerlingen te meten. Men kan de vraag stellen of dit kan. In een onderzoek naar 'inzicht' en het meten van 'inzicht' in de natuurkunde is Stumpel op deze vraag ingegaan. Dit onderzoek komt verderop nog nader aan de orde.

De volgende overweging heeft in aansluiting op het onderzoek van Stum-pel geleid tot het hier beschreven onderzoek. Als het 'inzicht' van leerlingen gemeten moet worden met behulp van vraagstukken zal men van tevoren moeten nagaan hoe leerlingen omgaan met dit 'meetinstrument'. Een leerling moet zijn inzicht in de natuurkunde laten zien door middel van het oplossen van een vraagstuk. De vaardigheid in het omgaan met vraagstukken speelt bij dit oplossen een grote rol. Oat het hierbij gaat om te onderscheiden zaken wordt besproken in hoofdstuk twee. Dan zal blijken, dat de hierboven genoemde moeilijkheden, de aanpakimpasse en het ongewenst-handelings-verloop, het vertonen van inzicht in dena-tuurkunde bij het oplossen van vraagstukken kunnen belemmeren.

In het hier beschreven onderzoek is getracht de werkwijze van de leer-lingen bij het oplossen van natuurkunde-vraagstukken te beinvloeden. In een veldexperiment hebben leerlingen onderwijs gekregen in het op-lossen van natuurkundevraagstukken. Geprobeerd is de aanpakimpasse en het onsystematisch trial and error gedrag te verminderen door het geven van aanwijzingen voor het oplossen van vraagstukken. Deze aanwijzingen zijn samengevat in twee heuristieken. Voor het oplossen van natuurkunde-vraagstukken is kennis van de natuurkunde nodig. Het is gewenst dat leerlingen deze kennis op een overzichtelijke wijze paraat hebben. Om dit te bevorderen is een aantal leerstofonderdelen samengevat in leer-stofschema's. In een veldexperiment is getracht het aanpakgedrag van

-13-leerlingen bij het oplossen van natuurkundevraagstukken met behulp van heuristieken en leerstofschema's te beinvloeden. Het effect van deze beinvloeding is onderzocht.

De historische gang van zaken, die geleid heeft tot het hier beschreven onderzoek, is in een schema weergegeven in fig. 1.1.

meer inzicht kan dit wel? onderzoek naar

toetsen bij (Raat/Stumpel) 'i nzi cht' en

examens het meten ervan

(Stumpel)

hoe gaan leerlingen om aanpak-impasse,

... _{met vraagstukken? trial and error} i

-(Van den Berg) '

' leerlingen eerst leren Veldex~eriment:

beter om te gaan met onderwijs met gebruik van

vraagstukken • heuristieken en

leerstof-schema's

Fig. 1.1. Historische achtergrond van het onderzoek.

De opbouw van het proefschrift is als vo1gt.

In de volgende paragraaf 1.1 van deze in1eiding wordt aangegeven dat het oplossen van vraagstukken in de praktijk van het onderwijs een grote ro 1 spee 1 t. Het op 1 ossen van natuurkundevraagstukken 1vraagt vee 1 tijd. En aan het al of niet kunnen oplossen van vraagstukken zijn be-langrijke consequenties verbonden.

i

-Niet iedereen is met die stand van zaken gelukkig. Reeds geruime tijd wordt in de vakdidactiek natuurkunde benadrukt, dat het doen van prac-ticum een essentieel onderdeel van het natuurkundeonderwijs moet zijn. De indruk wordt wel eens gewekt, dat het doen van practicu~ het

wezenlijke kermerk van goed natuurkundeonderwijs is. Het oplossen van vraagstukken wordt daarbij soms beschouwd als een achterhaalde zaak. In paragraaf 1.2 wordt onderschreven dat het practicum belangrijk is, maar dat theorie-onderwijs en het leren oplossen van natuurkundevraagstukken andere essentiele bestanddelen zijn. Deze onderdelen behoren samen een geintegreerd geheel te vormen.

In de daaropvolgende paragraaf 1.3 komt de achtergrond van het onderzoek nader aan de orde. In het kort worden de bevindingen van Stumpel weer-gegeven. Naar voren komt waarom taxonomieen niet het antwoord vormen op de vraag hoe inzicht getoetst kan worden. Enerzijds blijkt dat uit een aantal praktische problemen bij het indelen en bij het ontwikkelen van vraagstukken. Anderzijds wordt dat veroorzaakt door problemen met het begrip inzicht. Stumpel komt tot de conclusie, dat bij examens niet het inzicht van de leerlingen is te toetsen.

Stumpel heeft ook een begin gemaakt met de analyse van door leerlingen gegeven antwoorden op vraagstukken. Een van zijn conclusies is dat een goed antwoord kan wijzen op inzicht bij de leerling; het is er geen ga-rantie voor. In aansluiting op de bevindingen van Stumpel wordt aandacht gegeven aan enkele literatuurgegevens en de resultaten van een kort voor-onderzoek met betrekking tot het gedrag dat leerlingen bij het maken van vraagstukken vertonen.

Tenslotte volgt in paragraaf 1.4 een aanduiding van de probleemstelling. In hoofdstuk twee komen theoretische, voornamelijk leerpsychologische, overwegingen aan de orde. De aandacht gaat in hoofdzaak uit naar aspecten die een rol spelen bij het leren-oplossen van vraagstukken in het na-tuurkundeonderwijs in de bovenbouw van het vwo.

Hoofdstuk drie gaat verder in op de probleemstelling.

Aangegeven wordt, zij het nog globaal, welke verwachtingen er zijn ten aanzien van de invloed van het gebruik van heuristieken en leerstof-schema's op het leren oplossen van natuurkundevraagstukken.

Hoofdstuk vier geeft een beschrijving van het veldexperiment. De re-sultaten van natuurkundeonderwijs met gebruik van heuristieken en leer-stofschema's aan een experimentele groep worden vergeleken met die van een controlegroep. Deze controlegroep heeft 'traditioneel' onderwijs gehad zonder heuristieken en leerstofschema's. Dit hoofdstuk geeft na de weergave van de onderzoeksopzet de specifieke verwachtingen.

-15-In hoofdstuk vijf vindt men de resultaten van het experiment. DaarDij wordt tevens nagegaan welke invloed het experimentele onderwi op de perceptie van de leerlingen heeft gehad. Er vindt terugkoppeling plaats naar de paragrafen waarin de verwachtingen ten aanzien van de resultaten zijn geformuleerd. Een discussie over de vraag of eventuele effecten toegeschreven mogen worden aan het experimentele onderwijs of dat hier-voor andere oorzaken aan te wijzen zijn, treft men aan in hoofdstuk zes. Tot besluit volgen de bijlagen, een samenvatting en een summary.

Voor een duidelijker zicht op wat volgt een korte toelichting op de tite 1 1

natuurkunde-vraagstukken-op 1 ossen 1 •

Vraagstukkenoplossen is een zeer algemene aanduiding. Er zijn veel soorten vraags tukken en prob 1 emen op verschi 11 en de gebi eden: schaak-problemen, economische schaak-problemen, Destuursvraagstukken, enz. Bij het oplossen van vraagstukken spelen bepaalde grondprincipes een. rol. De aandacht gaat uit naar deze grondprincipes van vraagstukkenoplossen. Natuurkundevraagstukken vormen een bepaa 1 de soort vraagstukken. Ze zij n heel anders van karakter dan schaakproblemen. De vraag komt dan naar voren hoe de grondprincipes van vraagstukkenoplossen toegepast kunnen worden bij het oplossen van natuurkundevraagstukken. Hierbij is het tevens de vraag welke rol natuurkundevraagstukken in het onderwijs kun-nen of moeten spelen.

De aandacht is dus gericht op vraagstukkenoplossen, op natuurkundevraag-stukken en het leren-oplossen van natuurkundevraagnatuurkundevraag-stukken.

Over het onderzoek zijn zeven interne verslagen* geschreven. Hierin ZlJn ook de resultaten van een kort vooronderzoek opgenomen. Aan deze versla-gen wordt enkele keren gerefereerd, het belangrijkste er uit is echter in dit proefschrift opgenomen.

• Deze interne verslagen zijn publlekelijk in te zien, bijvoorbeeld bij: a. bibl iotheek afdel I ng der technische natuurkunde TH £,

b. bib 1 iotheek mini steri e van 0 & \;,

l.l VRAAGSTUKKE~ IN HET NATUURKUND~ONDERHIJS

In deze paragraaf wor·dt weel'gegeven dat het oolossen van vraagstukken een bepaa1de plaats heeft in de praktijk van r1et natuurkundeonderwijs. Deze plaats en de vorm en inhoud van de vraagstukken zijn aan discussif' onderhevig. Er treden ook af en toe verschuivinger in op. Die hangen samen met de doelstellingen die in het onderwijs en met het laten op-lossen van vraagstukken worden nagestreefd. In de publieke discussie hierover 1;ordt ge1vezen op de noodzaak van onderwi in het leren op-lossen van vraagstukken, vooral vanwege de ,..ol die vraagstukken soelen in de toets- en determinatieproblematiek. Jl.an het slot van deze para-graaf wordt de conclusie getrokken, dat het gerechtvaardigd is in een apart onderzoek aandacht te geven aan het leren-oplossen van en het

(leren-) omgaan met natuurkunde-vraagstukken.

Het oplossen van vraagstukken neemt in het natuurkundeonderwijs nog steeds een grate plaats in. Iedere natuurkunde methode bevat, al of niet in een apart boek, veel vragen, opdrachten en vraagstukken. Proef-werken bestaan veelal voor een belangrijk deel uit schriftelijke vraag-stukker., die uitgebreider en complexer zijn naarmate het een hoger leer-jaar betreft. De centraal schriftelijke eindexamens van het havo en het vwo bestaan geheel uit vraagstukken.

Vraagstukken komen in verschillende vormen voor. Soms maakt men onder-scheid tussen vragen, opdrachten en vraagstukken. 'Jragen hebben dan veelal betrekking op kennisvragen over de theorie of een beperkte toe-passing ervan. Opdrachten gaan vaak in de richting van het doen van een waarneming of een experiment van een kleinere of grotere omvang. Vraag-stukken zijn vaak uitgebreider van karakter. Zij b.estaan dikwijls uit een aantal vragen over eenzelfde situatie, waarbij o.a. een of meer grootheden berekend moe ten worden, of uit e.en combi nat ie van vragen en berekeningen. Bij vragen en vraagstukken wordt ook wel het onderscheid gehanteerd tussen kennisvragen en inzichtvragen. Met de laatste soort vragen wil men zich wel eens afzetten tegen sommen waarin het gaat om alleen het toepassen van een formule of het hanteren van een wet. An-deren pleiten voor een combinatie van deze soorten vragen. Middelink merkt op: 'In deze tijd prevaleert inzicht en niet kennis en kunde.

-17-Het is fraai natuurkundige vtagen en problemen te bedenken die in grote mate het inzicht toetsen, maar ma.g A'leii hiernaast niet in eerste instan-tie een aantal probleempjes aantreffen die louter berusten op het han-teren van wetten en formules? Waar geen kennis of kunde aanwezig is kan men geen inzicht verwachten!' (Middelink 1976, deel 1, p. 5).

Het meer benadrukken van inzichtvragen kwam naar voren bij de overgang naar de Wet op het Voortgezet Onderwijs (1968). De eerste jaren na de invoering van deze wet werd voor het vwo nog gebruik gemaakt van het examenprogramma natuurkunde van de hbs. In de toelichting bij de examens werd echter opgemerkt dat meer dan voorheen het inzicht van de kandidaat getoetst zou worden. Bij de hbs-examens zou de nadruk te veel gelegen hebben op het kennen van formules en het kunnen uitvoeren van bereke-ningen.

Verschillen in vorm van examenopgaven en vraagstukken hangen samen met het nastreven van verschillende doelstellingen. Met behulp van examens en vraagstukken wil men nagaan in hoeverre bepaalde doelstellingen be-reikt zijn. Voor kennis-doelstellingen worden kennis-vragen 'gebruikt, voor inzicht-doelstellingen worden inzicht-vragen gebruikt. 'Op basis van een hierarchie van doelstellingen heeft men wel geprobeerd een hierarchie van vraagstukken op te stellen. Bloom is in dit verband een bekende naam (Bloom (ed) 1979 en Bloom e.a. 1971). Men kan er aan twij-felen of dit mogelijk is. Raat en Stumpel komen na onderzoek tot de con-clusie dat de onderwijskundige relevantie van taxonomieen voor het classificeren van natuurkundevraagstukken niet zo groot is als wenselijk (Raat en Stumpel 1975). In paragraaf 1.3 en hoofdstuk twee wordt hierop teruggekomen. In hoofdstuk twee zal blijken dat de inhoud van de voor-afgaande onderwijsleerprocessen mede van invloed is op de classificatie van vraagstukken. Want bij verschil in onderwijsleerproces kan hetzelfde vraagstuk verschillend geclassificeerd worden. Bij het laten maken van een vraagstuk moet een docent zich realiseren welke doelstellingen hij nastreeft; het onderwijsleerproces moet hierbij aansluiten.

Of een bepaald vraagstuk werkelijk meet of een bepaalde doelstelling bereikt is hangt af van het onderwijsleerproces. Dit kwam hiervoor al naar voren. Aparte aandacht voor dit punt is echter van belang, want de vraag is in hoeverre de leerlingen geleerd hebben om te gaan met vraag-stukken. Bij de toetsproblematiek ten aanzien van 'begripsvragen' of

'inzichtsvragen' merkt VanderSluis het volgende op: 'Het blijkt uit literatuur over het werk van Russische psychologen dat leren denken op zichzelf geoefend kan worden. Door het aanbieden van stof met de daar-bij behorende oefeningen brengt men zeker op gang dat er denkstrategieen worden ontwikkeld. Het aanleren van denken, van oplossingsmethoden ge-beurt op deze manier impliciet. Door denkstrategieen te expliciteren, door ze dus te lichten uit het geheel van de stof, kan men kinderen leren denken. Op deze manier vindt de ontwikkeling van leren denken sneller plaats dan wanneer het zich impliciet moet ontwikkelen.

Het toetsen van leren denken, zoals dit door de zgn. inzichtsvragen ge-beurt, is in zekere zin onbillijk, omdat men hiermee de leerlingen uit-sluit die, op een andere manier onderwezen, ook tot dat inzicht hadden kunnen komen' {VanderSluis 1977, p. 44) •.

Het is gewenst dater bij het natuurkundeonderwijs expliciet aandacht gegeven wordt aan het leren oplossen van vraagstukken. Oeze conclusie wordt onderstreept door het feit dat veel leerlingen problemen hebben met het oplossen van natuurkundevraagstukken. Dit doet zich vooral voor in klas vier van havo en vwo. Veel leerlingen ervaren een kloof tussen klas drie en klas vier. De natuurkunde van klas vier wordt als veel moeilijker ervaren dan die van klas drie. En dit wordt vooral veroor-zaakt door de vorm van de vraagstukken. Deze zijn uitgebreider en com-plexer dan in klas drie. De leerlingen hebben de indruk dat ze de leer-stof wel begrijpen maar dan toch de vraagstukken erover niet kunnen ma-ken.

Bovenstaande overwegingen hebben ertoe geleid in een apart onderzoek aandacht te geven aan het leren-oplossen van en het leren-omgaan met natuurkundevraagstukken.

1.2 NATUURKUNDEONDERWIJS

Dit proefschrift gaat over het leren oplossen van natuurkundevraagstuk-ken. Niet iedereen acht het oplossen van vraagstukken zinvol. In het natuurkundeonderwijs zou minder tijd aan vraagstukken en meer tijd aan practicum besteed moeten worden.

In deze paragraaf worden enkele uitgangspunten voor het ontwerpen van

onderwijsleerprocessen in de natuurkunde genoemd. Het gaat om uitgangs-punten die men "'egelmatig hoort noemen in discussies over natuurkunde-or.derwijs. Ze zijn niet allemaal van dezelfde orde, ze hebben 1~el ge- · meen dat ze vooral de rol van het doen van pl·acticum en van het voor de 1eerling herkenbare benadrukken.

Vervolgens wardt in het kort bespraken dat het belang van het doen van practicum groot is, maar dat dit niet moet 1~orden averdreven. Het doen van practicum alleen leidt niet zonder meer tot een goede beheersing van de theol·ie bij de leerlingen. In het onderwijsleerproces moeten daarom meer zaken de aandacht hebben.

De naodzaak van het doen van practicum wordt met verschillende argumen-ten verdedigd. Natuurkunde is een experimentele weargumen-tenschap. Het experi-ment zal daarom een belangrijke plaats bij het onderwijs moeten innemen. Sommige auteurs gaan verder en stellen dat de denk- en werkwijze van de natuurwetenschappen als model kan dienen voor de wijze van aanbieding van de leerstof. In dit geval moet dan uitgegaan worden van de waar-neming. Via probleemstelling, hypothese en experiment komt m~n vervol-gens tot theorievorming. Uiteraard zal er dikwijls sprake zijn van een cyclisch of spiraalvormig proces; de genoemde grondvorm zal tach steeds aanwezig zijn. In situaties waarin experimenteren op school niet moge-lijk is kan men wel de beschrijving van het experiment geven en ook de experimentele uitkomsten. De denk- en werkwijze van de natuurwetenschap-pen blijven dan toch in het onderwijs aanwezig (Schraag e.a. 1976). De noodzaak van het doen van practicum wordt op deze manier verdedigd van-uit de aard van de natuurkunde als experimentele wetenschap.

Een geheel ander uitgangspunt is: aansluiten bij de leefwereld van de leerling. Dit principe wordt vooral voor de onderbouw havo en vwo ver-dedigd. De argumenten liggen dan veelal op het gebied van de motivatie, en van de relevantie van het geleerde. Voor de bovenbouw en het univer-sitaire niveau treft men varianten van dit uitgangspunt aan. Er wordt dan gesproken van maatschappijgerichte en leerlinggerichte stholings-concepten ( vg 1. Bergen henegouwen en t4a tthij ssen 1971, Van der Vaa rt 1982, De Caluwe 1980). De nadruk ligt bij dit uitgangspunt op het praktische en het bruikbare.

bij de theorie van Piaget. In het onderwijs moet rekening gehouden wor-den met het ontwikkeTingsstadium van de leerling. Een TeerTing die zich hoofdzakelijk in het concrete stadium bevindt is niet toe aan

formele redeneringen. Hij kan deze nog niet begrijpen. Begint men in de tweede of derde klas van het voorgezet onderwijs met formeeT-abstracte zaken, dan kan deze leerling het niet volgen. Vaak wordt dan de con-clusie getrokken dat deze leerlingen geen aanleg hebben. In feite echter zijn ze nog niet toe aan formeel-abstracte redeneringen. Het onderwijs aan deze leerlingen moet aansluiten bij het concrete niveau van de leer-lingen. Dit is te realiseren met behuTp van practicum. Dit uitgangspunt doet zich vooral gelden voor de onderbouw van het voortgezet onderwijs

(vgl. Piaget 1969, 1970, 1973, 1976, Piaget en Inhelder 1973). Ook het uitgangspunt van zelf-ontdekkend leren wordt vaak benadrukt. Deze tendens is echter aan het afnemen. De achtergrondgedachte is onder meer dat leerlingen zelf-ontdekte principes beter begrijpen en niet meer vergeten. Geef de leerlingen veel practicummateriaal in handen en laat ze aT doende een aantal basisprincipes ontdekken. Hoe verder de leerling hiermee komt, hoe meer aandacht er besteed moet gaan worden aan de structuur van het vak. t1aar ook hiervoor geldt als uitgangspunt de self-discovering (vgl. Bruner 1978).

Bij elk uitgang1spunt is wel een aantal opmerkingen te maken. Oat is hier echter niet van belang. Waar het vooral om gaat is, dat met goede ar-gumenten te verdedigen is, dat het practicum een be1angrijke plaats dient in te nemen bij het natuurkunde-onderwijs.

Maar alleen practicum is niet voldoende. Dit blijkt als aandacht gegeven wordt aan enkele problemen die zich voordoen als men vanuit het prac-ticum wil komen tot de theorie. Bovengenoemde uitgangspunten hebben ge-meenschappelijk, dat men van het concrete naar het abstracte gaat. Op basis van concrete waarnemingen, uitgevoerde experimenten of concrete handelingen wordt gestreefd naar theorievorming. Voor een goed begrip van de theorie is dit ongetwijfeld van belang.

Oat deze weg niet zonder knelpunten is wordt door velen ingezien, vooral ten aanzien van discovery-learning (vgl. Oers, 1981}. Op de weg van con-creet naar abstract wordt een beroep gedaan op analyse-vaardigheden en synthese-vaardigheden. Analyseren van het waargenomene, onderscheiden

-21-van bepaalde aspecten bij het experiment, onderkennen om welke hande-lingen het gaat, zijn vaardigheden die de leerhande-lingen niet zomaar van zichzelf hebben. En de volgende stap, die de onderscheiden elementen tot een geheel samenvoegt, doet een beroep op bepaalde creatieve vermo-gens van de leerling. Ook dit verloopt niet vanzelf.

Het is duidelijk, dat als het practicum als startpunt genomen wordt, er zich een aantal moeilijkheden voordoet, waarmee terdege rekening gehouden moet worden, als men wil bereiken, dat leerlingen zich een hoeveelheid bruikbare natuurkundige kennis eigen maken. Deze moeilijkheden worden niet overwonnen door uitsluitend practicum te doen. Er wordt een beroep gedaan op verschillende cognitieve vaardigheden, die de leerlingen zich niet vanzelf eigen maken.

Voor het verkrijgen van o.a. deze vaardigheden zullen leerlingen ook het 01

gekeerde proces moeten leren voltrekken, het proces waarin het gaan van het abstracte naar het concrete een grote rol speelt. Dit is het geval als leerlingen bijvoorbeeld met behulp van de theorie een concreet pro-bleem moeten oplossen. Zo'n opgave blijkt de leerlingen vaak· voor grote moeilijkheden te plaatsen. Bij het proces van concreet naar abstract zijn er formaliseringen ingevoerd, zijn er benaderingen afge~proken, is er geabstraheerd van voor de leerlingen toch wel belangrijke' zaken. Moet er nu een concreet probleem opgelost worden, dan moet er een verbinding tot stand gebracht worden tussen de formeel-abstracte theorie en de con-crete gegevens. Ook hierbij wordt o.a. weer een beroep gedaan op analyse vaardigheden. Nu moeten van alle data die gegevens onderscheiden worden met behulp waarvan via de theorie een oplossing voor het probleem ge-vonden kan worden. Veelal moet ook nog apart nagegaan worden wat het probleem precies is en ook aan welke voorwaarden de oplossing moet vol-doen.

Het leren omgaan met de theorie blijkt niet vanzelf te gaan. Het geeft voordelen als de theorie geleerd is in een rijke context {Hogenbirk en Wierstra 1982); daarvoor is veel (didactische) aandacht ver~ist. Het is echter geen garantie voor het kunnen gebruiken van de theorie in nieuwe situaties, theoretische of praktische.

Bij het leren omgaan met de theorie kunnen vraagstukken een,grote rol spelen. Dit komt in het volgende hoofdstuk aan de orde.

natuurkunde-onderwijs. Het is gewenst er expliciet aandacht aan te besteden, even-als aan het apart nagaan welke vaardigheden een rol spelen bij het doen van practicum (Verkerk 1983). De weg naar de theorie en het theorie-onderwijs vraagt eveneens veel aandacht. Het 'schoolbeeld' in de school-natuurkunde (Raat 1981) wijkt soms essentieel af van 'het straatbeeld van de natuurkunde' (Lijnse 1981). Het leren omgaan met de theorie, waarbij o.a. sprake is van een proces van abstract naar concreet, is ook belangrijk. Al deze te onderscheiden elementen moeten samen een geinte-greerd onderwijsleerproces vormen, waarin leerlingen komen tot een wis-selwerking tussen het abstracte en het concrete.

1.3 ENKELE ACHTERGRONDEN VAN HET ONDERZOEK

Hethierbeschreven onderzoek is voortgekomen uit een onderzoek dat is uitgevoerd door Stumpel (1979). In dat onderzoek ging het om de vraag hoe en in welke mate het 'inzicht' van leerlingen bij het eindexamen natuurkunde vwo wordt getoetst. In deze paragraaf worden in het kort enkele bevindingen van Stumpel weergegeven. Hij komt tot de conclusie dat op examens niet het 'inzicht' van leerlingen is te toetsen. De reden hiervoor is volgens hem, dat er geen eenduidig verband bestaat tussen de opgave en het denkproces dat tot het goede antwoord leidt.

Dit argument voert tot de gedachte nader aandacht te geven aan het ver-band tussen een opgave en de wijze waarop leerlingen met dat vraagstuk omgaan en aan de denkprocessen die daarbij een rol spelen. Over de wijze waarop leerlingen met vraagstukken omgaan worden in deze paragraaf enkele

literatuur-gegevens vermeld. Aan de denkprocessen die een rol spelen bij het oplossen van natuurkundevraagstukken wordt in hoofdstuk twee aandacht gegeven.

Natuurkunde-examens hebben meer dan vroeger de intentie het inzicht van de leerlingen te toetsen. Het is de vraag of dit kan (Raat 1981). Deze vraag is op te splitsen in twee subvragen: wat is inzicht en hoe is het te toetsen?

Een instrument dat pretendeert op beide vragen een antwoord te geven is een taxonomie van doelstellingen met vraagstukken, die daarop zijn

-23-gebaseerd of zouden zijn -23-gebaseerd. De meest bekende is de tapwnomie van Bloom (1979). Voor de natuurkunde is ook de indeling van Klopfer van be-lang (opgenomen in Bloom 1971).

Bloom onderscheidt zes categorieen doelstellingen: 1. kenni s, 2. begrip, 3. toepassing, 4. analyse, 5. synthese, 6. evaluatie.

Elke categorie is onderverdeeld. De categorieen twee tot en ~et zes staan op een of andere manier in verband met het begrip inzicht (Meuwese 1973). Bloom en anderen (1979) hebben geprobeerd op basis van deze indeling vraagstukken te ontwikkelen die direct gekoppeld zouden zijn aan een doelstellingen categorie. De resultaten zijn echter niet algemeen ge-accepteerd.

Om vraagstukken te krijgen die inzicht toetsen kan ook gepropeerd worden een omgekeerde weg te bewandelen. Uitgaande van een gegeven bestand vraagstukken kan geprobeerd worden deze te classificeren. Verschillende auteurs hebben hiertoe pogingen ondernomen. Zij gebruikten daarvoor een aantal scheikunde- en natuurkundevraagstukken. Een vergelijking van hun resultaten is ondernomen door Raat en Stumpel (1975). Er ble!ken nogal wat discrepanties op te treden. Ditzelfde bleek op de Vloudschotencon-ferentie van 1974 (ibidem). Vraagstukken van een bepaald schoolonder-zoek werden toen door verschillende personen ingedeeld met behulp van de categorieen van Klopfer. Ook hier bleken bij vergelijking grote ver-schillen op te treden. Voor sommige vraagstukken gold zelfsl 'zoveel hoofden, zoveel zinnen'. Raat en Stumpel komen tot de conclusie: 'Tot nu toe hebben we geen aanwijzingen. dat de taxonomieen als eenduidige en objectieve classificatie-instrumenten voor de toetspraktijk in het onderwijs in de natuurwetenschappen bruikbaar zijn. Het blijkt niet al-leen onmogelijk om tussen verschillende personen overeenstemming over de indeling van toetsitems te bereiken: het is ook onmogelijk voor een per-soon om tot een consistente toepassing van de taxonomie te komen, .•. ' {Raat en Stumpel 1975, p. 66). Op een symposium in 1976 bleek dat er be-paald geen eenstemmigheid bestaat over de toepasbaarheid van taxonomieen.

Verschillende sprekers op dit symposium pleitten voor een genuanceerde interpretatie van het onderzoek van Raat en Stumpel en voor meer em-pirisch onderzoek (Raat 1976). Tot nu toe is er echter nog geen taxo-nomie als eenduidig en objectief classificatie-instrument geproduceerd. De conclusie is, dat taxonomieen geen hulpmiddel zijn waarmee de vraag beantwoord kan worden hoe en in welke mate bij het eindexamen natuur-kunde vwo het 'inzicht' van leerlingen wordt getoetst. Stumpel heeft vervolgens een nader onderzoek ingesteld naar het begrip inzicht en de mogelijkheid het te toetsen (Stumpel 1979). In de eerste plaats bezint hij zich op het begrip 'inzicht'. Hoewel 'inzicht' het karakter van iets wenselijks heeft, bestaat er toch geen algemeen aanvaard, voldoende operationeel en scherp gedefinieerd begrip van inzicht, stelt hij. Hier-voor \\fOrdt de volgende verklaring gegeven: 'Zowel door het subjectieve, als door het kwalitatieve, discontinue karakter van het inzicht, is het waarschijnlijk een minder geschikt onderwerp voor de gebruikelijke ob-jectieve en kwantitatieve onderzoeksmethodiek in de onderwijskunde' (Stumpel 1979, p. 5). 'Inzicht' of 'begrijpen' is iets dat rr:en bij z~ch­

zelf constateert of denkt te constateren. Deze subjectieve el·varing heeft veelal een sprang karakter, is een 'aha-erlebnis , en is voor een buitenstaander niet direct waar te nemen (p. a en 5). Maar· jui st omdat deze subjectieve ervaring bestaat kan ze niet uit de onderwijstheor"e 1-10rden weggesneden zondet· deze ernstig te veminken (p. '\.

:n

-gebreid overzicht komen vervolgens divet·se aspecten van 'inzicht' in de 1itet·atuur naar voren {p. 28 t/m p. 55) Daat· v10rdt rlier niet vet·aer op ingegaan. De conclusie is, dat 'inzicht' een niet eenauidig en

Jb-jectief te classificeren begrip blijkt te zijn.

Toch blijven 'inzicht' en het 'toetsen van inzicht' belangri ke :aken in het onderwijs. In een onderwijs theorie zullen ze opgenomen moeten zijn. Na een korte analyse van een mogelijk proces bij het beantwoorden van een multiple-choice vraag stelt Stumpel het volgende: 'Of een vr·aag een 'inzichtvraag' is, is dus iets dat van de kandidaat afhangt: voor de een is het een inzichtvraag, voor de ander niet. Soms kan het blijken uit het antwoord dat de kandidaat geeft. Het lijkt er in ieder geval op dat, als we 'inzicht' in de eindexamens op het spoor willen komen, 1·1e onze aandacht moeten verleggen van de vragen naar de antwoorden'

-25-(Stumpel 1979, p. 13).

Aan de hand van een bepaald vraagstuk en een aantal antwoorden van leer-lingen daarop komt Stumpel tot vier soorten antwoorden:

1. goede antwoorde~; deze kunnen wijzen op inzicht,

2. zinnige, maar ~~uiste verklaring: ook dit kan wijzen op inzicht, 3. verwarring met andere leerstof: dit is een mislukte poging van een

ijverige 'lessen}eerder' zonder inzicht,

4. totale verwarring: in dit geval slaat men er een slag naar, men heeft er geen idee van en hoopt dat het gegeven antwoord juist is.

Een samenvatting wordt in fig. 1.2. gegeven

goede antwoorden kan wijzen op inzicht zinnige, maar onjuiste kan wijzen op inzicht verklaring

verwarring met andere leerstof mislukte poging van een ijverige 'lessenleerder' zonder inzicht totale verwarring men slaat er een slag naar,

heeft geen idee, en hoopt dat 't juist is

Figuur 1.2 Vier soorten antwoorden in relatie tot het al of niet heb-ben van inzicht {Stumpel 1979, p. 61).

Bij een goed antwoord kan men er toch niet zeker van zijn dat de leer-ling inzicht heeft. Het kan zijn dat een dergelijk vraagstuk al eens in de les behandeld is. Het goede antwoord kan dan geproduceerd zijn op basis van herkenning.

Deze be vi ndi ng is van doors 1 aggevende betekeni s voor het an.twoord op de oorspronkelijke vraag t.a.v. de examens. Want: 'Wil men een systeem kunnen vinden om examenopgaven in te delen in 'inzicht' en 'niet-inzicht', dan moet er een eenduidig verband bestaan tussen de opgave en het denk-proces dat tot het goede antwoord leidt' (Stumpel 1979, p. 3).

dat het ook geproduceerd kan zijn op basis van herkenning, volgt de con-clusie, dat vraagstukken hiet in te delen zijn in 'inzicht'-: en 'niet-inzicht'-toetsend. Op examens is dus niet eenduidig het 'inzicht' van leerlingen te toetsen.

in het voorgaande wordt de aandacht geri cht op het verband tussen --een opgave en het denkproces <lat tot een goecte oplossing leidt. Van dit denk-proces zal iets terug te vinden zijn in de wijze waarop een leerling te werk gaat bij het oplossen van een vraagstuk. Deze werkwijze van de

leer-ling is voorwerp van onderzoek geweest. Enkele literatuurgegevens hier-over worden hieronder vermeld.

In Faraday verschenen enige tijd geleden drie artikelen onder de titel 'Het oplossen van natuurwetenschappelijke vraa9s~~kken' (De Jong en Kramers-Pals 1980; Mettes, Pilot en Roossink 1980, 1981). De serie kreeg als motto mee: 'Ze kunnen niet lezen en ze kunnen ook niet rekenen' (p. 157). In dit motto wordt niet gesproken over: ze hebben geen inzicht. Kennelijk kunnen ze, de leerlingen, aan meer dingen dan alleen aan in-zicht gebrek hebben als ze een vraagstuk niet goed kunnen oplossen. Op basis van 1 iteratuurgegevens en protocol'analyses (De Jong 1980a en 1980c) komen ·De Jong en Kramers-Pals tot een heel aantal ~l(!chten over de wijze waarop leerlingen vraagstukken aanpakken:

.. a, _-ze s 1 a an gegevens over, b. ze beginnen te snel,

c. ze hebben geen goed ~eeld van het probleem, d. ze weten niet precies wat er gevraagd is, e. ze doen maar wat, ze werken niet systematisch, f. ze kennen de vakinhoud onvoldoende,

g. ze kunnen het probleem en de vakinhoud niet koppelen (De Jong en Kramers-Pals 1980, p. 159 en 160).

Ook De Vries heeft in het kader van het project DBK-natuurkunde onder-zoek verricht naar het probleemoplossend handelen van leerlingen (De Vries 1982). Hij komt, op basis van protocolanalyse, tot de conclusie :dat er een zekere systematiek in het oplossend gedrag van de leerlingen

is, zij het een geringe. 'Bij moeilijke opgaven worden bij veel lingen de oplossingswegen lang en complex. Zo komt het voor dat een leer-ling eerst een verkeerde grootheid berekent, later deze fout constateert

-27-en dan pas de goede grootheid berek-27-ent' (De Vries 1982, p. 65). Zijn antwoord op de vr·aag waar- het in'het oplossend gedr·ag fout gaat luidt:

'a. he1: niet {noemen of) noter·en van de gegevens,

b. t1et niet (noemen of) noteren van de gevraagde grootheid, het niet opstellen van een globaal oplossingsolan, d. het niet nagaan van de toepasbaarheid van een formule,

e. r1et niet bewust zi ,:in van een deelprobleem, dat opgelos1: moet \iOt'den, f. het niet controleren van het anb1oord.

De leerlingen z~jn zich er meestal niet van bewust dat dit hiaten zijn waar het fout gaat in het oplossend gedrag' (De Vries 1982, p. 68). In een voorstudie van het hier beschreven onderzoek is gemaakt examen-werk van 1979 geanalyseerd (Van den Berg 1980). Dit leidde tot: 'De fouten, die de leerlingen ge~aakt hebben, laten zich globaal als vol indelen:

1. geen antwoor·':i of "o'Jt antwoord t.g.\·. een ver·Keerde of "'oute ""or:uie, b. onvolledige verk'ar'ng,

c:. onjuiste vet·~<]ar·'ng OD basis vc.n ·~e'l ver!:ee~·J gevorrrd f). onvoldoende begrio van de s~tuatie waarop de vr1ag betreKkin~ ~eeft.

~. onvoidoende oegrio van de vraao of 1et oroblee~.

:en onvolledige verK1ar~ng noeit niet OJ geore~ aan Kennis Jf ~nzicht ~e ·nij::er.~ Voor· vee' leer·~: ~!i·;l2:1 :s '-,::r ~en ·J:·:.!:-1~2e:· .. :·H2~:"'".e :::~ise:1 ~:· /12.n

een ver-~<~aring cesT.e1_{•J liot·den. ·,Jat is een venzi,;,t·ing:' 11,;,nneer s ee'C}

'le~·-!ngen ne~De'l nier 1ecnts een vage 1ot~e van.

Je ant~oorden j~e va1,en onder o~nt c en f aeven aanle~o·ng :e conc·~­

aeren da: een 1eer1ing geen inz~cht of een ver\eera i~zicht nee~:. Oe:e antwoorden illustreren ~et reeds neer~alen ooge~erk:e feit, jat ~e~re\

aan inzicht ~eter :e constateren va~: dan het ~ebben van inzicht. De punten d en e vragen speciale aandacht. 9ij deze antwooroen zullen v1e vaak te maken hebben met de zgn. 'vertaa 1 prob 1 emen' 1·1aar Van Pa1·reten op wijst (Van Parreren 1974). Ook ~tijzen zij op het feit dat leerlingen vaak grote moeite hebben met het aanpakken van een vraagstuk. Dit kan dus w1 J zen op een man co bi j het onden1i j s. Verschei dene ant\<tooraen 1vi j-zen er op dat leerlingen meer gericht zijn op het produceren van een

antwoord dan op het begrijpen van de vraag. Afgaande op enkele min of meer bekende uitdrukkingen in de vraagstelling, wordt gespuid wat men daarover weet.

14en kan overwegen of de fouten, die voorkomen uit 'verwarring van leer-stof' een aparte categorie vormen. Juister lijkt het echter deze fouten onder te brengen bij d of e, soms bij c' (Van den Berg 1980, ~· 23 en 24).

Bij devoorstudie is ook een aantal hardop-denk-protocollen opgenomen en geanalyseerd. Dit betrof eindexamenkandidaten vwo, leerlingen van vier atheneum en van drie atheneum. Hierover meldt het verslag (ibidem p. 26): 'Zaken waarover de protocollen informatie geven zijn o.a.: trial and error gedrag, i nvl oed van eerder gemaakte sommen, ver1-1arri ng van 1 eer-stof, foutenbronnen zoals gebrek aan vaardigheid in het analyseren van gegevens en van het probleem, momenten van doorbrekend inzicht, onzeker-heid over eigen kunnen en kennen, enz.

Meer dan een leerling blijkt er van uit te gaan dat voor het maken van de opgaven een zwaar beroep gedaan moet worden op het geheugen. Geen actieve exploratie van de opgave, maar een aftasten van het geheugen, in de hoop iets tegen te komen wat gebruikt kan worden'.

In het bovenstaande is gerefereerd aan onderzoek bij leerlingen van mavo, havo en vwo voor de vakken scheikunde en natuurkunde. Onderzoek bij stu-denten van een Technische Hogeschool geeft een zelfde beeld (Mettes en Pilot 1980).

Leerlingen gaan niet altijd op een gewenste wijze met vraagstukken om. Veel leerlingen vertonen een onsystematische trial and error aanpak. Het is gewenst dat er nader onderzoek gedaan wordt waarin wordt nage-gaan wat hieraan te doen is. Hoe is het probleemoplossend handelen van leerlingen bij het oplossen van natuurkundevraagstukken te verbeteren?

1.4 AANOUIDING VAN DE PROBLEEMSTELLING

In het voorgaande is geconstateerd dat het (aanpak-)gedrag van leerlingen bij het oplossen van natuurkundevraagstukken vaak niet is zoals men zou wensen. Enerzijds is er veelal sprake van onsystematisch trial and error gedrag, anderzijds zitten de leerlingen nogal eens met het probleem dat

-29-ze niet weten hoe -29-ze moeten beginnen.

In de literatuur over problem-solving wordt gesteld dat het oplossings-gedrag van leerlingen o.a. te verbeteren is met behulp van heuristieken. Hierbij kan er door middel van leerstofschema's voor gezorgd worden dat de benodigde leerstof in bruikbare en overzichtelijke vorm aanwezig is. In het hier beschreven onderzoek is geprobeerd het aanpakgedrag van leer-lingen in klas vier vwo te beinvloeden met behulp van heuristieken en leerstofschema's. De vraag is wat het effect hiervan is.

De vraag is toegespitst op twee aspecten:

a. wat is het effect op het aanpakgedrag van de leerlingen;

is op aantoonbare wijze meer gewenst gedrag van leerlingen bij het oplossen van natuurkundevraagstukken aanwezig?

b. wat is het effect op het prestatieniveau van de leerlingen? In hoofdstuk 3 en de paragrafen 4.1 en 4.3 wordt deze vraagstelling verder uitgewerkt.

Hoofdstuk 2

THEORETISCHE OVERWEGINGEN

2.0 INLEIDING

In dit hoofdstuk word een aantal theoretische overwegingen besproken die betrekking hebben op het oplossen van vraagstukken.

De theorie over 'problem-solving' is echter zo uitgebreid, dat een keuze noodzakelijk is.

Mayer en Hill geven een overzicht van de benaderingen die mogelijk zijn (Mayer 1977, Hill 1979). Mayer gebruikt de volgende acht tref-woorden: Associationism, Rule Learning, Gestalt, Meaning, Question Answering, Computer Simulation, Deductive Reasoning, Cognitive Development. Elk trefwoord staat voor een bepaalde theorie en onder-zoektraditie.

Nadere bestudering leert, dat de verschillende richtingen zich veelal ook met verschillende soorten problemen bezighouden. Het probleem waarmee een dier te maken krijgt in de Puzzle Box van Thorndike is totaal anders dan het raadsel DONALD + GERALD

=

In dit hoofdstuk wordt in hoofdzaak aangesloten bij de opvattingen in de handelingspsychologie. Aan deze psychologie is in Nederland o.a. de

naam van Van Parreren verbonden.

Op de voorjaarsconferentie van het Nederlands Instituut van Psychologen in 1983 hebben Van Parreren, Assink en Borghouts-Van Erp gewezen op een aantal punten, waarop handelingspsychologische onderwijsonderzoekers anders te werk gaan dan informatieverwerkingspsychologen.

Omdat de informatieverwerkingspsychologie momenteel grote belangstelling geniet en omdat er door onderzoekers van problem-solving-technieken vaak bij aangesloten wordt (vgl. o.a. Lindsay and Norman 1977, Newell and Simon 1972, Tuma and Reif 1980), wordt op die verschilpunten kort inge-gaan. Deze punten geven tevens de overwegingen aan waarom in hoofdzaak aangesloten wordt bij de handelingspsychologie.

-31-De verschillen waar het om gaat worden door Van Parreren gegeven in een bespreking van het werk van Resnick. In haar visie op het ontwerpen van onderwijsprogramma's speelt het begrip 'taakanalyse' een centrale rol. Zij verstaat hieronder: 'de studie van complexe leerprestaties met als doel de psychologische processen*bloot te leggen, op grond waarvan het subject in staat is dergelijke complexe prestaties te leveren' (Resnick 1976, geciteerd uit Van Parreren e.a. 1983, p. 108).

Het eerste punt van verschil is de methode van onderzoek bij taakanalyse. De informatieverwerkingspsychologie kent hierbij de centrale plaats toe aan de rationele taakanalyse. De handelingspsychologie gaat, uit van em-pirische taakanalyse. 'Handelingspsychologen gebruiken graag de intro-spectieve methode voor het analyseren van taken, maar geven de voorkeur aan introspectie die in het kader van experimenteel onderzoek door proefpersonen wordt verricht' (Van Parreren e.a. 1983, p. 119). In de tweede plaats zijn in de informatieverwerkingspsychologie de modellen die van cognitieve processen opgesteld worden typi~che

machinemodellen: 'de menselijke activiteit wordt erin gerepresenteerd als een strikt rationele schakeling van processen waardoor een doel wordt gerealiseerd, d.w.z. juist zoals technici machines inrichten' (ibidem, p. 119). In de handelingspsychologie wordt de menselijke activiteit echter niet als onvermengd rationeel gezien. Er kan worden gewezen op drie niet-rationele, maar psychologisch-reele as'pecten van het menselijke handelen. 'In handelingen die aanvankelijk uit een serie expliciete en weloverlegde stappen (doelhandelin~en) bestaan, zal veelal gaandeweg verkorting optreden. Door die verkorti,ng vallen bepaalde schakels uit' (o.c. p. 120). De verkorte handeling wordt op andere 'cues' gebaseerd dan de onverkorte handeling.

Een tweede niet-rationeel aspect van het menselijke handelen is, 'dat de evaluatie van onze handelingen veelal gevoelsmatig 'plaats vindt en niet door expliciete vergelijking tussen het doel en het handelings-resultaat' (ibidem, p. 120).

In de derde plaats is er het motivationele aspect. 'Bereikt iemand een gesteld doel niet, dan is hij geneigd er iets anders voor in de plaats te stellen, wat er een zekere overeenstemming mee heeft' (ibidem,

p. 120).

worden meegenomen. Dit gaat niet bij de machinemode11en.

Een derde punt van verschi1 tussen de hande1ingspsycho1ogie en de in-formatieverwerkingspsycho1ogie is het inzicht dat ze geven 'in de aard en achtergrond van moei1ijkheden die mensen in de taaksituatie kunnen ondervinden, op de wijzen waarop ze daaraan het hoofd menen te kunnen bieden, en op de fouten die ze geneigd zijn te maken' (o.c. p. 121). De informatieverwerkingspsychologie negeert het gelaagde karakter van het menselijk handelen. Daardoor plaatst ze alle schakels in de han-de ling op een niveau. 'In het mohan-del is daardoor niet zichtbaar, waar het voor de leerling om vanzelfsprekendheden gaat (die in werke1ijk-heid misschien ongemerkt plaatsvinden) en waar voor hem de eigen-lijke moei1ijkheden zitten, aan het meester worden waarvan in het onderwijsleerproces alle aandacht moet worden_~esteed' (ibidem, p. 121). De handelingspsychologie geeft dan ook de voorkeur aan taakanalysemodellen die in termen van elementaire handelingen zijn geformuleerd. Het begrip 'elementaire handeling' wordt dan genomen in de 'betekenis, die Landa (1969) er aan toekent: het zijn die handelingen, die leer1ingen direct op basis van een voorschrift of aanwijzing kunnen voltrekken. In dit begrip is geimpliceerd, dat handelingen die voor leerlingen van een niveau van ontwikkeling elementair zijn, zulks niet hoeven te zijn voor jongere of minder ervaren leerlingen. Ook deze ontwikkelingsafhankelijkheid van taak-ana1yses wordt in de informatieverwerkingsmode11en niet terugge-vonden' (ibidem, p. 121).

Een vierde punt van verschi1 tussen de informatieverwerkingspsycho-1ogie en de handelingspsychologie heeft betrekking op de vraag hoe men van een taakana1ysemodel kan komen tot een onderwijsprogramma. 'Resnick gaat er van uit, dat men uit haar taakanalysemode11en kan aflezen welke stappen in het onderwijs achtereenvolgens moeten worden gedaan. Vanui t de hande 1 i ngspsycho 1 ogi e bezi en Jigt de zaak echter niet zo eenvoudig. Als men weet welke de 'eindhandelingsstructuur' is die men door het onderwijs moet bereiken, is daar zonder meer ni et ui t af te 1 ei den, 1 angs we 1 ke weg di t moet gebeuren. Daarvoor is leerpsychologische kennis, c.q. -onderzoek nodig. En wel vanuit een leerpsychologie, waarin men 1eren beschouwt als een (kwalitatieve) ontwikkeling van handelingsstructuren' (o.c. p. 123).

-33-In dit hoofdstuk wordt aandacht gegeven aan elementen die een rol spelen bij het oplossen van een natuurkundevraagstuk, te weten: te onderwijzen vakinhoudelijke kennis, elementaire denkhandelingen, het kennisbestand (van de leerling) en oplossingsprocedures. Deze elementen worden in de opeenvolgende paragrafen afzonderlijk besproken.

In paragraaf 2.1.4. wordt speciaal aandacht gegeven aan heuristieken en het gebruik ervan in de onderwijspraktijk.

In paragraaf 2.2. wordt teruggekomen op de problematiek van het inzicht. Een bepaald aspect van deze problematiek, de mogelijkheid om het op examens te toetsen, vormde,immers de aanleiding

tot het onderzoek. In deze paragraaf wordt een antwoord

gegeven op de vraag of op examens 'het inzicht' van leerlingen is te toetsen.

2.1 ELEMENTEN BIJ HET OPLOSSEN VAN NATUURKUNDEVRAAGSTUKKEN Bij het oplossen van een natuurkundevraagstuk speelt een aantal elementen een rol (Van den Berg 1980 en 1982). Deze elementen worden hieronder weergegeven in een schema. In de daaropvolgende paragrafen worden ze nader besproken.

Leren-oplossen-van-vraagstukken wordt vaak genoemd in verba~d met leren-denken. Dit is niet verwonderlijk omdat leren-denken veelal wordt geanalyseerd met behulp van het laten oplossen van problemen. De vraag of iemand geleerd heeft te denken wordt geoperationaliseerd met behulp van bijvoorbeeld schaakopgaven, de hefboomproef, de punten- en lijnenproef {Van Parreren 1973, Van Parreren en Van Loon-Vervoorn 1975).

Schriftelijke vraagstukken zijn een bepaald soort problemen. De hefboomproef kan gepresenteerd worden met behulp van practicum-materiaal. Een leerling kan dan voor het praktische probleem ge-plaatst worden de hefboom in evenwicht te brengen. Bij het oplossen van dit probleem kan de leerling, al of niet systematisch, experi-menterend te werk gaan. Als de hefboomproef naderhand voorkomt in

een schriftelijk vraagstuk is een experimentele aanpak veelal niet mogelijk. Het oorspronkelijke praktische probleem is dan een 'theore-tisch' probleem geworden, dat 'op papier' opgelost moet worden. Beide problemen vragen een verschillende aanpak en de oplossingen berusten op verschillende denkprocessen. Resultaten van onderzoek van leren-denken moeten daarom altijd bezien worden in de context van de problemen waarmee in het onderzoek het leren-denken is

geoperationa-1 i seerd.

Van Parreren heeft meer dan eens aandacht gevraagd voor analyse van het 'leren-denken' (Van Parreren 1973, 1974-1975, 1975a). Hij stelt 'dat leren denken 'denktechniek' en 'denkinstrumentarium' zal moeten omvatten, waarbij wij het onderwijs in denktechniek weer uiteengelegd hebben in het onderwijs van algemene probleemanalyse-techniek, van heuristische regels in engere zin en van algoritmen. Daarnaast moet de leerling om goed te kunnen denken, uiteraard beschikken over een denkinstrumentarium, d.w.z. de begrippen, principes, wetten, stel-lingen, enz., die de eigenlijke vakinhoud vormen' (Van Parreren 1975a, p. 367). En vervolgens: 'Behalve dat voor deze denktechnische handelingsstructuren ook geldt, dat ze alleen gebruikt en dus ook geleerd kunnen worden indien ze belichaamd worden in handelingen aan bepaald materiaal, veronderstelt bovendien het handelen op basis van een heuristische of algoritmische regel de beheersing van meer elementaire denkactiviteiten' (ibidem, p. 367).

Als voorbeeld van dit laatste noemt hij 'het kunnen opstellen en opereren met mentale modellen van min of meer omvangrijke

hande-l i ngen' ( o. c. p. 36 7).

Voor de toepassing van deze analyse bij het natuurkundeonden~ijs

en het leren oplossen van natuurkundevraagstukken zijn enkele aan-passingen nodig. Het laten oplossen van natuurkundevraagstukken gebeurt niet alleen als toets nadat de leerstof behandeld is. Het gebeurt ook als hulpmiddel bij de behandeling van de leerstof. Door middel van vraagstukken kan de aandacht van de leerlingen gericht worden op bepaalde eigenschappen van behandelde begrippen, kunnen beperkingen van behandelde principes geillustreerd worden, kan