Pires, Basilia, Educatief Ontwerpen, Scheikunde

1

Een docentenhandleiding voor

Lewisstructuren en VSEPR-model

Basilia Pires

10107800

Schoolvak Scheikunde

Interfacultaire Lerarenopleidingen

Universiteit van Amsterdam

Educatief Ontwerpen

Variant - Prototype

710MA126Y

Begeleider: Dr. Erik Joling

Eindverslag Educatief Ontwerpen

6-1-2020

Pires, B. (2020). Docentenhandleiding voor Lewisstructuren en VSEPR-model. Amsterdam: Interfacultaire Lerarenopleidingen UvA, Educatief Ontwerpen.

2

Samenvatting

De examenonderwerpen Lewisstructuren en het VSEPR-model worden ervaren als één van de lastigste onderdelen voor 4V leerlingen. Deze leerlingen hebben moeite om de juiste Lewisstructuur tekenen en aan de hand hiervan met het VSEPR-model de ruimtelijke structuur te bepalen. Er is een gebrek aan inzicht en chemische redenatie. Daarnaast ervaren docenten moeilijkheden bij het uitleggen van deze twee onderwerpen. Zij weten niet zo goed hoe zij de leerstof over Lewisstructuren en het VSEPR-model moeten overbrengen. Mijn medescheikunde docenten op mijn stageschool ervaren deze genoemde problemen ook.

Uit het bovenstaande kwam het volgende ontwerpvraagstuk: een prototype creëren, waarbij als resultaat ondersteunend materiaal wordt aangeleverd om de onderwerpen Lewisstructuren en het VSEPR-model te kunnen uitleggen. Het ondersteunend materiaal wordt specifiek ontwikkeld voor de methode Chemie in Onderzoek.

Na de theoretische en empirische verkenning kwam de volgende ontwerphypothese uit: Ik verwacht

met mijn ontwerp, dat ik de nodige docentenhandleiding aanreikt aan een docent, zodat hij/zij een houvast krijgt om het gewenste leereffect te behalen bij een leerling betreft de onderwerpen Lewisstructuren en het VSEPR-model.

De belangrijkste ontwerpregels bij deze hypothese waren:

• Het verband vaststellen tussen het atoommodel van Bohr en de octetregel

• Het gebruiken van alternatieve stappenplan voor het opstellen van een Lewisstructuur • Het verband leggen tussen Lewisstructuren en het VSEPR-model

De ontwerpregels en prototype zijn gevalideerd door een focusgroep in te zetten, waarbij hun meningen werden gevraagd op reactie-niveau. Deze verkregen data werd zowel deductief als inductief geanalyseerd. De ontwerpregels moeten voor een deel nog concreter en vollediger worden beschreven. Daarnaast mist er één ontwerpregel die wel als element in de prototype voorkomt. De prototype zelf is grotendeels al bruikbaar, maar moet op sommige vlakken worden aangepast. De beschreven aanwijzingen en theorieën moeten concreter worden beschreven. Vervolgens moet de bruikbaarheid van de prototype opnieuw gevalideerd worden met vakinhoudelijke experts.

3

1. Het ontwerpvraagstuk

1.1 Achtergrondinformatie

Sinds 2016 is het onderwerp Lewisstructuur en VSPER-model een examenonderwerp geworden voor het schoolvak scheikunde voor VWO. In het huidige examensyllabus (CvTE, 2019) valt het onderwerp Lewisstructuur onder subdomein B1, deeltjesmodellen, waarbij de volgende eindterm geldt: “de kandidaat kan deeltjesmodellen beschrijven en gebruiken”. Aansluitend is het onderwerp Lewisstructuren als volgt beschreven in punt 12 en 13:

Punt 12 → De kandidaat kan van een gegeven molecuulformule, formule van (samengestelde) ionen of structuurformule een Lewisstructuur geven:

• mesomerie;

•

grensstructuren

.

Punt 13 → De kandidaat kan in een (Lewis)structuurformule de plaats van formele en partiële ladingen aangeven.

Het examenonderwerp VSEPR-model valt onder subdomein B4, bindingen structuren en eigenschappen, waarbij de volgende eindterm geldt: “De kandidaat kan op basis van kennis van structuren en de bindingen in en tussen deeltjes eigenschappen van stoffen en materialen verklaren en omgekeerd vanuit de eigenschappen van stoffen of materialen structuren voorspellen”. Aansluitend is het onderwerp VSEPR-model als volgt beschreven in punt 3:

Punt 3 → De kandidaat kan met behulp van de Valentie-Schil-Elektronen-Paar-Repulsie Theorie (VSEPR-theorie) de ruimtelijke bouw van samengestelde ionen en moleculen, of delen daarvan, aangeven: omringingsgetal 2, 3 en 4;

• 4 omringing: tetraëder, bindingshoek ongeveer 109o_;

• 3 omringing: plat vlak, bindingshoek ongeveer 120o_;

•

2 omringing: lineair, bindingshoek 180o

In beide gevallen moeten leerlingen chemisch kunnen redeneren. Zij moeten vanuit de theorie een Lewisstructuur kunnen opstellen met de bijbehorende mesomere grensstructuren en formele ladingen. Om vervolgens met het VSEPR-model de ruimtelijke bouw van een structuur vast te stellen. Het is continu opbouwen met theorieën, waarbij meerdere denkstappen nodig zijn. Dit is een vaardigheid die aangeleerd moet worden door de leerlingen.

Voor het examenjaar 2016, periode 1999 tot en met 2015 ,was alleen een variant op het VSEPR-model opgenomen in het examenprogramma. Echter, werd dit niet het VSEPR-model genoemd en was de eindterm anders. Het werd in de examensyllabus (CvTE, 2009) als volgt beschreven:

De student kan

Punt 19 → verband leggen tussen de ruimtelijke bouw van een molecuul en de in het molecuul aanwezige enkele, dubbele of drievoudige atoombindingen:

• tetraëder (bindingshoeken ' 109%); • plat vlak (bindingshoeken ' 120%); • lineair (bindingshoek ' 180%).

4

• configuratie; • tetraëder.

De examencommissie scheikunde heeft ervoor gekozen dat een leerling de ruimtelijke bouw van een structuur kan bepalen aan de hand van de aanwezige atoombindingen. Dit kan men zien als een makkelijke variant van het VSEPR-model. Daarnaast hebben de auteurs de bindingshoeken in procenten weergegeven in plaats van graden. Het is onduidelijk waarom de auteurs hiervoor hebben gekozen.

Normaliter kwam een student de onderwerpen Lewisstructuren en VSEPR-model voor het eerst tegen in het eerste jaar van de bachelor scheikunde (Studiegids UvA, 2019) of in het eerste jaar van de bachelor farmaceutische wetenschappen (Studiegids VU, 2019). Het is nu (deels) naar voren gehaald en in het VWO examenprogramma geplaatst (Examens, Examenblad, 2019). De reden voor deze keuze kon mijn werkplekbegeleider toelichten. Hij heeft in één van de examensyllabuscommissies gezeten. De commissie heeft ervoor gekozen om Lewisstructuren in het scheikunde VWO examenprogramma op te nemen, zodat een leerling de theorie en denkvaardigheid krijgt om te kunnen verklaren waarom polymeren met een geconjugeerd systeem stroom kunnen geleiden. Polymeren zijn moleculaire stoffen en geleiden over het algemeen geen stroom. Wanneer wij de kennis over Lewisstructuren toepassen op polymeren met een geconjugeerd systeem, kunnen wij meerdere mesomere grensstructuren maken. Hiermee kan een leerling zien dat de elektronen in dit systeem op verschillende plekken van het polymeermolecuul aanwezig kunnen zijn. In andere woorden, de elektronen bewegen door het gehele molecuul, waardoor een polymeer dus stroom kan geleiden. Betreft het VSEPR-model: met dit model wordt de ruimtelijk structuur van een molecuul bepaald en aan de hand de ruimtelijk structuur kan een leerling voorspellen of het molecuul een dipoolmoment heeft. Wanneer een molecuul een dipoolmoment heeft, is het molecuul polair en polariteit is een stofeigenschap. Deze stofeigenschap vertelt onder andere of een stof goed oplosbaar is in water. Kort gezegd, Lewisstructuren en het VSEPR-model zijn nodig om stofeigenschappen van stoffen te kunnen verklaren.

De Lewisstructuur is het resultaat van het onderzoek van Gilbert N. Lewis (1916). Hij beschreef de structuurformule van een molecuul met de bijbehorende valentie-elektronen (Bohr, 1913) (= elektronen in de buitenste schil). Een Lewisstructuur geeft de bindingen tussen atomen aan, de hoeveelheid valentie-elektronen van een atoom die zijn gebruikt om een atoombinding (elektronenpaar) te vormen en welke valentie-elektronen voorkomen in vrije elektronenparen. Bijvoorbeeld: de Lewisstructuur van koolstofdioxide (Figuur 1). Er zijn in totaal vier atoombindingen (elektronenparen) en vier vrije elektronenparen (aangegeven met stippen).

Figuur 1: Lewisstructuur van koolstofdioxide (CO2)

Vervolgens kan met behulp van deze Lewisstructuur de ruimtelijke structuur van een koolstofdioxide voorspeld worden het VSEPR-model (Gillespie, 1963). Het VSEPR-model geeft aan, dat de (vrije) elektronenparen in een molecuul elkaar afstoten met elektrostatische krachten, waardoor een molecuul ‘gedwongen’ wordt om een bepaalde ruimtelijke structuur aan te gaan. Het doel van deze situatie is om de (vrije) elektronenparen zo veel mogelijk uit elkaar te hebben. Eerst wordt eerst het omringingsgetal van het centraal atoom bepaald. In het geval van koolstofdioxide is koolstof het

5 centraal atoom en heeft deze een omringingsgetal van twee. Dit houdt in dat koolstofdioxide een lineaire vorm heeft als ruimtelijke structuur met de kenmerkende hoek van 180 graden.

Het verband tussen de Lewisstructuur en het VSEPR-model kan een scheikunde docent goed in kaart kunnen brengen met de driehoek van Johnstone (1993), waarbij de Lewisstructuur het symbolische aspect representeert en het VSEPR-model het (sub)microsopische aspect (figuur 2)

Figuur 2: Driehoek van Johnstone toegepast op Lewisstructuur en VSEPR-model

De Lewisstructuur brengt in kaart hoe een molecuul eruit ziet. Het VSEPR-model gebruikt het theorie dat elektronen elkaar afstoten door hun negatieve lading en is daarom de logische keuze voor het (sub)microscopisch hoekpunt. Het begrip polariteit is toegevoegd voor de volledigheid, omdat de volgende stap voor een VWO-leerling is om de polariteit, een stofeigenschap, van een molecuul te bepalen aan de hand van de ruimtelijke structuur. Concluderend, een leerling heeft de Lewisstructuur en het VSEPR-model nodig om de polariteit te bepalen, terwijl tegelijkertijd de polariteit informatie geeft stof hoe het molecuul is opgebouwd.

Om de onderwerpen Lewisstructuren en het VSEPR-model toegankelijker te maken voor een VWO leerling, wordt een deel van de theorie niet vermeld, maar achtergehouden. De achtergehouden theorie zou voor beide aspecten te complex zijn voor een VWO leerling. Alleen al uit praktijk blijkt, dat sommige leerlingen ervaren dat de besproken theorie uit de lucht komen vallen of de theorie komt ‘vaag’ over. Dit maakt het voor een leerling lastig om de onderwerpen Lewisstructuren en VSEPR-model te beheersen. Een gemiddelde leerling slaat de huiswerkopgaven over dit onderwerp over en wacht totdat de docent het gaat uitleggen. Vervolgens worden de vragen op toets over het onderwerp ook overgeslagen of een leerling schrijft iets willekeurigs op in de hoop om punten te krijgen.

Voorafgaand educatief ontwerpen heb ik in praktijk een aantal constateringen kunnen doen. Ik geef bijles aan bovenbouwleerlingen, veel 5VWO en 6VWO leerlingen, en examentrainingen. Allereerst, merk ik dat de VWO leerlingen moeite hebben om een Lewisstructuur te tekenen. Daarnaast missen meeste leerlingen het inzicht om de ruimtelijke structuur van een molecuul te kunnen afleiden uit een Lewisstructuur. Zelfs wanneer meerdere stappenplannen en voorbeelden zijn gegeven.

1.2 Scheikundemethoden

1.2.1 Nova Scheikunde

De methode Nova Scheikunde (bijlage 1, pagina 28), één van de meest gebruikte methoden op middelbare scholen in Nederland, staat erom bekend om stappenplannen te geven en theorieën aan de hand van voorbeelden uit te leggen. Voor de paragraaf over Lewisstructuren gebruikt de methode twee voorbeelden om de theorie uit te leggen en is er geen stappenplan gegeven. Dit is tegenstrijd met de kern van de methode. Het opstellen van een Lewisstructuur is een vaardigheid die een leerling

6 zichzelf moet aanleren. De methode doet hier te kort door geen stappenplan te gebruiken Daarnaast wordt een leerling gelijk in het diepe gegooid met de theorie en verwacht de methode dat een leerling in één keer door heeft wat een gedeelde elektronenpaar en een vrije elektronenpaar is. Er wordt geen definitie/omschrijving gegeven van deze twee begrippen. Daarnaast wordt het begrip formele lading met één voorbeeld geïntroduceerd en uitgelegd, terwijl het vaststellen van een formele lading een rekenvaardigheid is. De methode zou op zich hierbij een rekenformule kunnen geven. Daarentegen wordt wel in de paragraaf vermeld waarvoor de Lewisstructuur nodig is.

Betreft het VSEPR-model, heeft Nova Scheikunde alle verschillende ruimtelijke structuren met bijbehorende kenmerken overzichtelijk in een schema gezet. Dit geeft in één keer een overzicht voor de leerling. Alleen wordt het begrip omringingsgetal niet concreet uitgelegd die wel wordt gebruikt in dezelfde schema. De methode beschrijft het omringingsgetal als de aantal posities rondom het centraal atoom. Er wordt verder niet uitgelegd wat er wordt bedoelt met posities, terwijl de omringingsgetal aangeeft hoeveel plekken rondom het centraal atoom aanwezig zijn die atoombindingen en vrije elektronenparen bevatten. Daarnaast wordt er maar één voorbeeld gegeven, terwijl de verwachting zou zijn om voor elk ruimtelijke structuur een voorbeeld te geven. Het doel hiervan zou zijn, om een beter beeld te creëren voor de leerling. Dit zou een helpende hand zijn voor het verkrijgen van inzicht voor het VSEPR-model.

1.2.3 Chemie in onderzoek

Op mijn stageschool gebruiken de scheikunde docenten een eigen methode voor zowel onderbouw scheikunde als bovenbouw scheikunde. De reden om een eigen methode te gebruiken, had te maken met de ontevredenheid met de terzijde tijd beschikbare methoden zoals Nova scheikunde. De docenten wouden een methode hebben die beter aansloot bij het examenprogramma en waarmee contextrijke leerstof kan worden gegeven. Chemie in Onderzoek (bijlage 2, pagina 34) legt Lewisstructuren en het VSEPR-model uit in één paragraaf. De paragraaf begint met een stukje geschiedenis over Lewisstructuren en de octetregel. Om vervolgens een stappenplan te geven voor het opstellen van Lewisstructuren aan de hand van één voorbeeld. Hierin is de methode succesvoller dan bij Nova Scheikunde. Alleen wordt er verder geen andere voorbeelden gebruikt om een leerling meer inzicht te geven in het tekenen van Lewisstructuren. Het VSEPR-model wordt in Chemie in Onderzoek uitgebreider uitgelegd dan in Nova scheikunde. Voor elke ruimtelijke structuur is er een voorbeeld gegeven aan de hand van 3D tekeningen. De 3D tekeningen helpen een leerling vooral om een beter beeld te krijgen van de verschillende ruimtelijke structuren. Desondanks vonden mijn 4V leerlingen het lastig om een elektronengebied vast te stellen en daarmee het molecuulbouw te bepalen. Hierin verschil Chemie in Onderzoek ook met Nova scheikunde. Chemie in Onderzoek gebruikt de term ‘elektronengebied’, waar Nova Scheikunde de term ‘omringingsgetal’ gebruikt. De auteur van Chemie in Onderzoek heeft bewust voor deze term gekozen om het gebied rondom een atoom beter te beschrijven. Alleen definieert het boek niet wat een elektrongebied is. De intentie van de auteur is goed, alleen ontbreekt er een omschrijving in de context. Daarnaast wordt formele lading in één alinea van twaalf (korte) regels met een voorbeeld uitgelegd. Net als bij Nova Scheikunde mocht hier ook meer aandacht aan worden besteed en ontbreekt ook hier een formule voor het bepalen van de formele lading.

Het positieve aan de methoden Nova Scheikunde en Chemie in Onderzoek is, dat beide veel aandacht besteden aan het examenonderwerp Lewisstructuren en het VSEPR-model. Op het VWO eindexamen scheikunde kan een leerling maximaal 5% van alle punten halen op dit onderwerp, terwijl de methoden één tot twee paragrafen aanbesteed. Daarnaast doen beide methode moeite om met behulp van (3D) tekeningen het ruimtelijk inzicht van een leerling te vergroten. Nova Scheikunde gebruikt weleens

7 waar meer voorbeelden, maar Chemie in Onderzoek reikt meer kennis en uitleg aan. Echter mis ik in beide methoden een handvat voor de leerling om de nodige chemische vaardigheid goed aan te leren.

1.3 Input sectie scheikunde Zaanlands Lyceum

Tijdens een willekeurige werkbespreking voor de zomervakantie kwam vanuit mijn sectievoorzitter en mede-scheikundedocenten ook naar voren, dat VWO leerlingen de examenonderwerpen Lewisstructuren en VSEPR-model lastig vinden. De sectievoorzitster vond het een positieve wending toen het Zaanlands Lyceum in 2016 van methode was gewisseld en Chemie in Onderzoek ging gebruiken. Echter vinden de meesten van mijn mede-scheikundedocenten dat de paragraaf over Lewisstructuren en het VSEPR-model nog niet voldoet aan de eisen. Deze docenten gaven aan dat er een rode lijn in de paragraaf mist en extra handvaten voor leerlingen om de chemische vaardigheden aan te leren. Aanvullend vinden de meeste van mijn mede-scheikundedocenten, dat er geen enkel methode is die de Lewisstructuur en het VSPER-model goed beschrijft. Er is vanuit de sectie scheikunde een behoefte voor een betere paragraaf of paragrafen over de Lewisstructuur en het VSEPR-model.

1.4 Ontwerpwens

Door alle bovenstaande kom ik tot mijn ontwerpwens: Ik wil met Educatief Ontwerpen een prototype creëren, waarbij ik als resultaat een ondersteunend materiaal aanlever voor de paragraaf Lewisstructuren en VSEPR-model van de methode Chemie in Onderzoek. Dit met het doel om meer inzicht en begrip te leveren voor een 4VWO leerling betreft de examenonderwerpen Lewisstructuren en het VSEPR-model, zodat zij correct een Lewisstructuur kunnen tekenen en aan de hand van het VSEPR-model de ruimtelijke structuur ervan kan afleiden.

2. Theoretische verkenning

2.1 Literatuuronderzoek

In 2017 kwam Tiettmeyer et al., één jaar nadat in Nederland de Lewisstructuur en het VSEPR-model waren toegevoegd aan het VWO examenprogramma scheikunde, met een interessante artikel over het effect van het opstellen van Lewisstructuren op de fysieke gesteldheid van scheikunde studenten. De auteurs hebben een fysieke onderzoek uitgevoerd, waarbij een groepje studenten aan een hartmonitor werd gekoppeld. Vervolgens kregen deze studenten een opgavenblad met verschillende opgaven waaronder opgaven over Lewisstructuren. Tijdens het maken van de opgaven over Lewisstructuren, bereikten de studenten hun maximale hartslag. Daarnaast hadden de auteurs een statische analyse van de uitwerkingen uitgevoerd. 10% van de studenten hadden een poging gedaan om de opgaven over Lewisstructuren te maken. De auteurs concludeerden aan de hand van deze gegevens, dat de studenten nerveus werden tijdens het maken van de opgaven wegens gebrek aan chemische redenatie (de studenten wisten simpelweg niet wat te doen). De auteurs zijn van mening dat de studenten cognitief veel worden beladen door de theorie van Lewisstructuren, waardoor zij hun eigen scheikundekennis niet kunnen organiseren in hun hoofd. De auteurs beamen dat het essentieel is dat de studenten leren hoe zij hun scheikunde kennis kunnen gebruiken om chemisch te kunnen redeneren. Terugkomend op Lewisstructuren, de studenten moeten vanuit de theorie een Lewisstructuur kunnen opstellen, zodat zij verder in hun studie de macropische eigenschappen ervan kunnen afleiden.

Cooper et al. publiceerde in 2010 een artikel over een onderzoek die zij hebben uitgevoerd om de moeilijkheden die studenten ondervinden met het tekenen van Lewisstructuren in kaart te brengen. De auteurs hebben hiervoor drie testgroepen gebruikt: algemene scheikunde studenten, organische chemische studenten en masterstudenten. Elke groep kreeg een aantal moleculen om de

8 Lewistructuur ervan te tekenen. 50% van de algemene scheikunde studenten en masterstudenten hadden de Lewisstructuren goed. Bij de organische chemische studenten hadden 31% de Lewisstructuren goed. De auteurs hebben vervolgens de uitwerkingen van de organische studenten geanalyseerd. De meeste studenten hadden de regels van Lewisstructuren verkeerd toegepast, wat leidde tot foutieve Lewisstructuren. Een aantal van deze studenten werden ondervraagd om hun denkstappen in kaart te brengen. De auteurs konden vaststellen dat sommige studenten het verband niet kon leggen tussen de regels van de Lewisstructuren en het tekenen ervan. De studenten hebben moeite om vanuit deze regels te kunnen redeneren naar een correcte Lewisstructuur. De auteurs verwijten dit probleem aan hoe lesmethodes en tekstboeken de Lewisstructuur beschrijven. De instructies in deze boeken zijn, niet duidelijk en concreet genoeg, en leggen niet uit wat de functie is van een regel. Daarnaast waren de auteurs van mening, dat het tekenen van een Lewisstructuur een vaardigheid is. Om een vaardigheid aan te leren, zou een student voornamelijk moeten oefenen. Sommigen lesmethodes en tekstboeken bevatten weinig oefenmateriaal om deze vaardigheid te beheersen.

McKenna en McKenna publiceerde in 1984 een artikel over het lesgeven in het VSPER-model, waarbij zij aankaartte, dat een student moeite heeft om de ruimtelijke structuur van een molecuul af te leiden. De studenten gaan de mist in bij het bepalen van het omringingsgetal van de Lewisstructuur (de auteurs gebruiken in het artikel de term coördinatiepunt). Het is voor hen niet concreet wat een omringingsgetal is. Daarnaast vergeten de meeste studenten de vrije elektronenparen mee te tellen in het bepalen in het omringingsgetal. De studenten kaartte aan dit niet ‘logisch’ is. Terwijl als men de ruimtelijke structuur in 3D zou zien, het wel logisch is. Een vrije elektronenpaar neemt ruimte in rondom het centraal atoom en moet daarom worden meegerekend in het bepalen van het omringingsgetal. Een student mist dus een stukje inzicht in het bepalen van de correcte omringingsgetal. Dit leidt dan tot het foutief bepalen van de ruimtelijke structuur van een molecuul.

2.2 Conclusie literatuuronderzoek

Aan de hand van de besproken literatuur kan worden vastgesteld, dat het tekenen van een Lewisstructuur een lastige vaardigheid is. De studenten hebben moeite om de (theoretische) regels toe te passen en verbanden er tussen te leggen om vervolgens een correcte Lewisstructuur te construeren. De studenten lopen vast bij het redeneren naar een Lewisstructuur toe.

Betreft het VSEPR-model: bij de studenten ontbreekt de inzicht om de omringingsgetal van het centraal atoom in een Lewisstructuur te bepalen. Dit is mede doordat een leerling de term omringingsgetal niet concreet voor zichzelf heeft vastgesteld. Schoolboeken bieden ook weinig aanwijzingen voor leerlingen voor de bovenstaande punten.

3. Empirische verkenning

3.1 Observatie lessen

Ik heb drie lessen van een mede-scheikunde docent geobserveerd, waarbij de paragraaf over Lewisstructuren en VSEPR-model werd behandeld in zijn 4V klas. Dit was een open observatie. De volgende punten vielen op:

• De docent begon in de eerste les met het uitleggen van de theorie over Lewisstructuren, waarbij de duetregel werd benadrukt. Daarnaast gaf de docent aan dat een Lewisstructuur draait om de vrije elektronenparen.

9 • De docent gebruikt het molecuul van koolstofmonoxide (CO) als voorbeeld om aan te geven,

waarvoor de Lewisstructuur dient. De docent gaf aan dat, wanneer een leerling een normale structuur van koolstofmonoxide tekent, hij/zij dan niet uitkomt. Maar met een Lewisstructuur wel.

• Vervolgens begon de docent met het uitleggen van het atoommodel van Bohr, door eerst het atoommodel van Bohr te tekenen. Hierbij vermeldde de docent, dat een leerling alleen de buitenste schil nodig heeft voor een Lewisstructuur.

• De docent noemde ook duidelijk dat de elektronen met stippen moet worden getekend, zodat een leerling makkelijker het aantal vrije elektronen kan onthouden.

• De docent geeft een rekenschema voor het tekenen van een Lewisstructuur.

• Daarbij vermeldt de docent dat hij/zij andere termen gebruikt dan in het boek. Bijvoorbeeld het gebruiken van de term (vrije) elektronenparen in plaats van (eenzame) elektronenparen. De docent heeft als reden gegeven dat hij het op deze manier heeft geleerd.

• Vervolgens geeft de docent de leerlingen de opdracht om van de aangewezen moleculen op het bord, het aantal bindende en vrije elektronenparen uit te rekenen. En dan verder te gaan met het tekenen van de de Lewisstructuur.

• De docent gebruikt zwaveldioxide (SO2) als voorbeeld voor het bepalen van formele ladingen. • Bij de derde les bespreekt de docent het VSEPR-model door verschillende voorbeelden te laten

zien bij de verschillende ruimtelijke structuren van moleculen. Terugkijkend op deze lessenreeks, heb ik een aantal opmerkingen erover:

• Ik vind het een onlogische keuze om koolstofmonoxideals voorbeeld te gebruiken om de functie van de Lewisstructuur te uit te leggen, aangezien bij koolstofmonoxideformele ladingen van toepassingen zijn. De docent legt de term formele lading later pas uit met het voorbeeld zwaveldioxide.

• Aansluitend op dit voorbeeld. Zwavel is één van de elementen die de octetregel kan overschrijden. Het lijkt mij makkelijker voor de leerlingen om geen uitzonderingen te gebruiken, voordat zij zelf een Lewisstructuur kunnen opstellen. Dit kan verwarring opscheppen.

• De docent maakt de opmerking dat hij de term omringingsgetal gebruikt in plaats van elektronengebied. Dit is op zich prima, maar ik vind jammer dat de docent de term

omringingsgetal of elektrongebied niet uitlegt en concreet maakt voor de leerling. Hiermee voorkom je dat een leerling bij eerste stap van het bepalen van de ruimtelijke structuur vastloopt, omdat zij/hij niet precies weten wat een elektrongebied is.

3.2 Toetsanalyse eindexamens vwo scheikunde

Cito heeft een toetsanalyse uitgevoerd over de laatste drie vwo scheikunde eindexamens (Cito, 2019). Ik heb deze examens bekeken, op advies van mijn vakdidacticus, en gefiltreerd op de vragen die over Lewisstructuren en het VSEPR-model gaan. Tot mijn eigen verbazing zaten in alle drie de examens geen vragen over het VSEPR-model. Vervolgens ben ik op examenblad.nl (CvTE, 2019) gaan zoeken naar een eindexamen vanaf 2016 met een vraag over het VSEPR-model. Deze heb ik gevonden in het eindexamen van 2016 het tweede tijdvak. Het is ongelukkig dat geen toetsanalyse is uitgevoerd over dit examen.

Terugkomend op de toetsanalyse van de laatste drie examens. Ik heb de statistieke gegevens over de vragen over Lewissttructuren in een tabel gezet (tabel 1):

10 Tabel 1: Toetsanalyse eindexamens 2017-2019

Examen Vraag Maximale

te behalen punten Gemiddelde behaalde punten Percentage Standaard afwijking

2019-I De Lewisstructuur van het

deeltje X is op de

uitwerkbijlage onvolledig weergegeven. Het deeltje Y is een grensstructuur van deeltje X. In het deeltje Y komt een atoom voor waarbij niet wordt voldaan aan de oktetregel. Maak op de uitwerkbijlage de grensstructuur van beide deeltjes af. Geef formele lading(en) aan.

2 1,78 88%

2018-I Geef de Lewisstructuren van

de cis- en de trans-vorm van een azoverbinding en leg uit waarom van een

azoverbinding zowel een cis- als een trans-vorm voorkomt. Gebruik R–N=N–R als notatie voor een azoverbinding.

3 1,97 66%

2017-I Geef de Lewisstructuur van het

hierboven weergegeven NMP en van de andere mesomere grensstructuur van NMP. Geef formele ladingen aan in de structuren. De Lewisstructuren moeten voldoen aan de oktetregel.

3 1,19 40%

Het eerste wat mij op valt in tabel 1 is, dat het percentage van de behaalde punten over de jaren zijn toegenomen. Wanneer ik de vragen van 2017-I en 2019-I tegenover elkaar zet, is het verschil tussen de uitwerkingen het grootst. Bij 2017-I kreeg een leerling een molecuul aangereikt, waarvan de Lewisstructuur vanaf de octetregel moet worden opgesteld. Terwijl de vraag van 2019-I een deel van de Lewisstructuur op een uitwerkbijlage geeft, waarbij een leerling dit alleen hoeft aan te vullen. De vraag geeft hier ook één punt minder. Het lijkt erop, dat de makers van het examen de leerling een handvat wouden geven. Een mogelijk aanleiding hiervoor is om de goede scores te stimuleren, aangezien de scores van de twee jaren ervoor middelmatig zijn.

Het tweede wat mij opvalt, is dat bij de vraag van 2019-I een Lewisstructuur wordt gevraagd van een molecuul met atoom die niet voldoet aan de octetregel. In het examensyllabus wordt er niets vermeld, dat een leerling ook een Lewisstructuur moet opstellen met een uitzondering op de octetregel. Ik kan begrijpen, dat een leerling niet uitkomt met de Lewisstructuur, omdat hij/zij een regel moet negeren, terwijl de regels juist handvaten zijn.

11

3.3 Vragenlijst

Mijn 4V klas heeft dit schooljaar op 10 oktober zijn eerste scheikunde toets gehad. Bij deze toets waren de onderwerpen Lewisstructuren en VSEPR-model onderdeel van de leerstof. Ik heb na afloop van de toets een vragenlijst, aan de hand van de workshop van Niels Smits, afgenomen bij mijn 4V klas (29 leerlingen). De resultaten staan in tabel 1:

Tabel 2: Resultaten vragenlijst toets 4V

Vraag Antwoord Frequen

tie 1) Was de aangegeven tijd voor de toets

voldoende voor jou?

Ja Nee

27 2

2) Geef aan hoe jij de toets hebt ervaren. Moeilijk

Makkelijk Neutraal

8 0 21

3) Geef aan welk(e) onderwerpen jij lastig vond Reagens

Duurzaamheid Formules en reacties Chemische berekeningen Atoommodel van Rutherford Atoommodel van Bohr

Lewisstructuren en VSEPR-model 7 7 1 1 4 6 17

Bij vraag 3 heb ik alleen de antwoorden in het tabel meegenomen die waren aangekruist op het vragenlijst en waren meerdere antwoorden mogelijk.

Uit de vragenlijst komt duidelijk naar voren, dat de meeste leerlingen (17 van 29) Lewisstructuren en VSEPR-model de lastigste onderwerpen vonden van de toets. Over het algemeen vonden de leerlingen de toets niet moeilijk en was de tijdsduur goed. Naar aanleiding van deze resultaten heb ik een inhoudsanalyse uitgevoerd op de toets.

3.4 Inhoudsanalyse

Bij de inhoudsanalyse van de toets heb ik alleen gekeken naar de toetsvragen over de Lewisstructuren en VSEPR-model en hoe de leerlingen deze vragen beantwoorden. De toets bevatte totaal twee toetsvragen: één vraag over de Lewisstructuur en één vraag over het VSEPR-model.

Vraag 1:

Teken de structuurformule van etheen en leg aan de hand van VSEPR-theorie uit welke bindingshoeken aanwezig zijn rondom beide C-atomen. (2 punten)

V1.1 = aantal behaald punten

V1.2 = Antwoord gegeven in spreektaal of vaktaal; 0 = spreektaal; 1 = vaktaal V1.3 = Aantal gebruikte vaktermen; 1 punt per vakterm

12 Tabel 3: Resultaten inhoudsanalyse toets 4V vraag 1

Leerlingen v.1.1 v1.2 v.1.3

Totaal behaalde punten

20 21 Totaal behaalde punten 39

Te behalen punten 58 29 Gemiddelde per ll. 1,3448276

p = 0,344828 0,724137931

Bij vraag 1 heeft mijn 4V klas 35% van alle punten behaald. Dit zit aan de lage kant. Daarentegen hebben de meeste leerlingen wel vaktaal gebruikt om de vraag te kunnen beantwoorden. Dit geeft aan dat een leerling de theorie wel heeft bestudeerd, alleen de theorie niet kon toepassen om de vraag correct te beantwoorden.

Vervolgens heb ik gekeken naar de inhoud van de antwoorden. 60% van de leerlingen hadden willekeurige (scheikunde) woorden genoteerd, waarschijnlijk in de hoop om een puntje te scoren. Een aantal voorbeelden van willekeurige antwoorden:

• Etheen heeft bindingen en is daarom lineair.

• Etheen heeft elektronengebieden en is daarom plat. • Mijn tekeningen is recht, dus etheen is lineair

Bij de overige leerlingen ging het mis bij het bepalen van de hoeveelheid elektronengebieden van etheen en werd daardoor de verkeerde ruimtelijke structuur bepaald.

Vraag 2:

Teken de Lewisstructuur van zwaveldioxide en geef in deze structuur duidelijk aan waar de formele ladingen zich bevinden. (3 punten)

V2.1 = aantal behaald punten

V2.2 = Antwoord gegeven in spreektaal of vaktaal; 0 = spreektaal; 1 = vaktaal V2.3 = Aantal gebruikte vaktermen; 1 punt per vakterm

Tabel 4: Resultaten inhoudsanalyse toets 4V vraag 2

Leerlingen v2.1 v2.2 v2.3 Totaal behaalde punten 54 20 Totaal behaalde punten 41

Te behalen punten 87 29 Gemiddelde per ll 1,4137931

p = 0,6206897 0,689655172

Bij vraag 2 heeft mijn 4V klas 62% van de punten behaald. Deze score is het dubbele van de score van vraag 1. Ook hier bij vraag 2 hebben de meeste leerlingen vaktaal gebruikt en het gemiddelde aantal

13 gebruikte vaktermen per leerling scheelt niet veel van vraag 1. Hieruit kan ik concluderen dat het opstellen van een Lewisstructuur beter ging dan het toepassen van het VSEPR-model.

Vervolgens heb ik gekeken naar de inhoud van de antwoorden. Ongeveer 50% van de leerlingen hadden de stappenplan voor het opstellen van de Lewisstructuren verkeerd uitgevoerd. Bij een aantal ging het al mis bij het bepalen van het aantal bindende en eenzame elektronenparen. De andere helft hadden de stappenplan wel correct uitgevoerd, alleen waren de formele ladingen verkeerd aangegeven.

3.5 Conclusie empirische verkenning

Ik wil eerst terugblikken naar observatie van de lessen (3.1). De docent had dezelfde opbouw aangehouden in zijn lessen als vermeld in Chemie in Onderzoek. Echter had de docent een rekenschema gegeven waar de methode een stappenplan aanbod om een Lewisstructuur te tekenen. Daarnaast gebruikt de docent andere vaktermen dan de methode, maar deze komen wel overeen met dezelfde termen als vermeld in de examensyllabus (1.1) en in Nova Scheikunde. De docent vindt het lastig om de leerstof over Lewisstructuren en het VSEPR-model op een passende manier over te brengen naar de leerlingen toe.

Uit paragrafen 3.2 t/m 3.4 kan ik afleiden dat leerlingen de mist in gaan met het toepassen van stappenplannen en/of (theoretische) regels betreft het tekenen van Lewisstructuren en bepalen van de ruimtelijke bouw van moleculen aan de hand van het VSEPR-model. De geobserveerde docent probeerde een concretere stappenplan te geven voor het tekenen van Lewisstructuren door een rekenschema aan te bieden.

Ik kan momenteel vaststellen dat het probleem ligt bij het toepassen van stappenplannen en/of theoretische regels om correct chemisch te redeneren naar een Lewisstructuur en ruimtelijk bouw van een molecuul. Dit is deels te verwijten aan het onbegrip van leerlingen over een aantal termen en gebrek aan verbanden te leggen tussen de verschillende theorieën.

4. Theoretische oplossingen

In het tijdschrift NVOX werd door auteur Sander Haemers (Haemers, 2014) een stappenplan voorgesteld voor het opstellen van een Lewisstructuur. Wellicht biedt dit stappenplan een alternatieve uitkomst voor een leerling om een Lewisstructuur correct te kunnen opstellen. De stappenplan gaat van de duet- en octetregel uit, daarnaast worden er geen uitzonderingen op de octetregel genoemd in het artikel. Een leerling zou nog eerst concreet voor zich zelf moeten hebben wat de duet- en octetregel is, voordat hij/zij deze stappenplan kan toepassen.

Kaufman et al. (Kaufmann et al. 2017) zijn bezig geweest met het ontwikkelen van een leermethode voor eerstejaars bachelorstudenten voor het tekenen van Lewisstructuren. Zij ontwikkelde een methode, waarbij een student eerst volgens een stappenplan een Lewisstructuur opstelt en vervolgens wordt deze Lewisstructuur geevalueert met een andere stappenplan. Het doel hiervan om fouten uit de Lewisstructuur te halen en direct te corrigeren. Deze oplossing biedt een mogelijkheid voor een leerling die de fout ingaan bij het toepassen van de theorie over Lewisstructuren. Op deze manier kan een leerling zichzelf direct corrigeren en naar de juiste toepassing toe leiden.

Packer en Woodgate (Packer & Woodgate, 1991) publiceerde in 1991 een artikel over hoe een student Lewisstructuren met de bijbehorende formele ladingen kan opstellen a.d.h.v. een aantal regels i.p.v. een stappenplan. Zij gaven aan dat studenten deze methoden fijner te vinden, omdat het uitschrijven van een stappenplan wordt vermeden. De studenten werden gestimuleerd om zelf na te denken over

14 hun eigen stappen. Het resultaat hiervan is, dat studenten beter verbanden konden leggen tussen de octetregel en de Lewisstructuur. Deze methode gebruikt weleens waar geen stappenplan, maar het is een handig hulpmiddel voor een leerling om verbanden tussen theoriën te leggen om vervolgens chemisch te redeneren naar een Lewisstructuur.

Cooper et al. (Cooper M et al. 2009) publiceerde in 2009 een artikel, waarbij zij een methode beschrijven die studenten kunnen gebruiken om digitaal Lewisstructuren te tekenen. Studenten gebruikte de programma OrganicPad om Lewisstructuren te tekenen en na te kijken. De programma geeft zelf aan of er een vrije elektronenpaar of binding verkeerd is geplaatst bij het tekenen van een Lewisstructuur. Daarnaast kunnen studenten de Lewisstructuren vertalen naar de juiste ruimtelijke structuur van het molecuul. Dit werd dan in 3D weergegeven, zodat de studenten een beeld kregen hoe een molecuul ruimtelijk eruit ziet. Deze methode is een handige manier om het verband tussen de Lewisstructuur en het VSEPR-model te kunnen zien.

In mijn conclusie van mijn emipirische verkenning (paragraaf 3.5) noemde ik ondere andere, dat een docent bij het onderwerp Lewisstructuren en VSEPR-model niet altijd goed weet hoe hij/zij deze leerstof kan overbrengen. Deze docent zou in deze situatie kunnen profiteren van een hulpmiddel. Een mogelijk hulpmiddel kan studiemateriaal, die gericht is op docenten, handig zijn. Het studiemateriaal heeft dan als functie om een docent te ondersteunen in zijn/haar werkzaamheden (Schneider & Krajcik, 2002). Daarnaast heeft het gebruik van docentgerichte studiematerialen positief effect op het handelen en ontwikkeling van een docent. Bijvoorbeeld, docenten bereikte sneller het beoogde leereffect bij leerlingen en vereiken hun inhoudelijke pedagogische kennis. Het gebruiken van studiemateriaal is vooral effectief voor startende docenten (Drake, Land, & Tyminski, 2014). Het biedt een zekere ondersteuning aan voor hun ontwikkeling als docent. Startende docenten gebruiken studiemateriaal om onder andere hun eigen vak- en pedagogische kennis aan te vullen, en de leerstof te evalueren en analyseren.

Door de kennis die ik heb opgedaan uit de besproken literatuur, wil ik een prototype maken die functioneert als hulpmiddel voor een docent. Hiervoor zou een studiehandleiding een geschikte product zijn die een houvast biedt voor een docent wanneer hij/zij de onderwerpen Lewisstructuren en VSEPR-model behandelt.

In mijn ontwerp wil ik de stappenplan van Haemers gebruiken, omdat deze vertrekt uit de octetregel. Ik kan dan eerst concreet de octetregel definiëren en dan overgaan naar het tekenen van Lewisstructuren. Vervolgens wil ik de oplossing van Kaufman integreren. De reden hiervoor is dat een leerling kan evalueren of hij/zij chemisch kan redeneren naar een Lewisstructuur toe wanneer een docent afwezig is. Daarnaast wil ik de oplossing van Cooper et al. inbrengen als een mogelijke practicum in mijn ontwerp. Het lijkt zeer effectief dat een leerling buitenom het schrift aan de slag gaat met het tekenen van Lewisstructuren. In een programma met 3D weergave kan een leerling het molecuul draaien, verschoven etc. om ruimtelijk inzicht te krijgen. Ik verwacht dat dit helpt bij het leggen van het verband tussen Lewisstructuren en het VSEPR-model.

De oplossing van Packer en Woodgate laat ik buiten beschouwing, omdat ik persoonlijk stappenplannen handig vind en zij zijn in tegenstrijd met mijn voorkeur.

15

5. Ontwerphypothese en ontwerpregels

5.1 Ontwerphypothese

Ik verwacht met mijn ontwerp, dat ik de nodige docentenhandleiding aanreikt\ aan een docent, zodat hij/zij een houvast krijgt om het gewenste leereffect te behalen bij een leerling betreft de onderwerpen Lewisstructuren en het VSEPR-model. Dit verwacht ik te bereiken door in de docentenhandleiding: de valkuilen te noteren en belichten, alternatieven leermethoden en stappenplannen op te nemen, en extra oefenopgaven te zetten.

5.2 Ontwerpregels

Tabel 5: Eerste versie ontwerpregels

Nr Ontwerpregel (X) Omschrijving ontwerpregel Bijbehorende leeractiviteiten Beoogde leereffecten (Y) Theoretische achtergrond 1 Vaststellen voorkennis De paragraaf begint met een verwijzing naar het atoommodel van Bohr Leerlingen maken een oefenopgave, waarbij zij kunnen evalueren of zij het atoom van Bohr kunnen toepassen op een atoom Leerlingen hebben correcte atoommodel van Bohr getekend in hun schriften Haemers (2014); 2 Theoretische kennis verkrijgen Vanuit het atoommodel van Bohr wordt de overstap gemaakt naar de octetregel en functie van de Lewisstructuur De docent definieert eerst de octetregel en Lewisstructuur. Vervolgens maken de leerlingen een aantal theoretische vragen erover Leerlingen kunnen aan zichzelf en elkaar uitleggen wat de octetregel inhoudt en wat de functie van een Lewisstructuur is Haemers (2014) 3 Ontwikkelen van de nodige chemische redenatie over Lewisstructuren Vanuit de octetregel wordt een stappenplan opgesteld voor het tekenen van een Lewisstructuur De docent geeft via een PowerPoint de stappenplan weer en doorloopt alle stappen a.d.h.v een voorbeeld, waarbij de leerlingen meedenken en schrijven De leerlingen reproduceren de stappenplan in hun schrift Haemers (2014); Kaufman (2017) 4 Inzicht verkrijgen in het VSEPR-model Het inzicht verkrijgen van alle De leerlingen zitten achter een computer

De leerlingen herkennen de verschillende

16 verschillende ruimtelijke structuren. verschillende ruimtelijke structuren te modelleren.; ruimtelijke structuren kunnen herkennen en beschrijven. 5 Toepassen van het VESPR-model De ruimtelijk structuur afleiden m.b.v. Lewisstructuur en VSEPR-model d.m.v. een stappenplan De leerlingen kunnen aan elkaar uitleggen welke molecuulbouw een molecuul heeft. De leerlingen kunnen correct redeneren naar een ruimtelijke structuur toe vanuit de Lewisstructuur Packer&Woodgate (1991); Cooper (2009)

6 Opzet en methoden

6.1 Plan voor valideringsonderzoek

6.1.1 Validering I

Het doel van validering I is om vast te stellen of de huidige ontwerpregels voldoende zijn om hieruit het prototype te maken.

Voor de eerste validatie van het prototype ga ik de sectie scheikunde van mijn stageschool gebruiken als focusgroep. De sectie scheikunde bestaat momenteel uit vier leden (exclusief mijzelf). Sectielid 1 is de sectievoorzitster. Zij heeft zelf ook de lerarenopleiding op de ILO gevolgd en kent de eisen van opleiding goed. Sectielid 2 zit (en heeft gezeten) in verschillende commissies omtrent het maken van examensyllabi, onderwijsvernieuwing etc. Hij is goed bekend met de eindtermen van scheikunde. Sectielid 3 is de auteur van Chemie in Onderzoek en heeft aangeboden om mee te denken tijdens het valideringsonderzoek. Sectielid 4 heeft affiniteit met de onderwerpen Lewisstructuren en het VSEPR-model en wilt graag zijn ervaring en kennis aan mij overbrengen.

Vervolgens wil ik een interview afnemen met een drietal experts: de vakdidacticus scheikunde van de Vrije Universiteit Amsterdam, universitaire docent van de bachelor scheikunde op de Universiteit van Amsterdam en de sectievoorzitter scheikunde van het Blaise Pascal College. Het doel van de interviews is om feedback te krijgen op mijn ontwerpregels. Dit drietal is geschikt om als experts te functioneren, omdat zij als vakinhoudelijke experts en/of vakdidactische onderzoekers op verschillende niveaus van het onderwijs die te maken hebben met leerlingen/studenten die in aanraking komen met Lewisstructuren en het VSEPR-model.

Ik wil de experts de volgende vragen stellen:

• Beschrijven de ontwerpregels de belangrijkste elementen van module 1.6? Graag een toelichting.

17

6.1.2 Validering II

Het doel van validering II is om vast te stellen of de prototype bruikbaar is als docentenhandleiding voor docenten.

Voor de tweede validatie wil ik de sectie scheikunde weer gebruiken als focusgroep. Ik wil voornamelijk weten van mijn collega’s of zij de docentenhandleiding bruikbaar vinden en zelf zouden gebruiken voor hun lessen over Lewisstructuren en het VSEPR-model.

Daarnaast wil ik dezelfde groep experts, beschreven in 6.1.1., gebruiken om mijn prototype te valideren. Zij hebben bij eerste keer feedback gegeven en kunnen de ontwikkeling van het prototype duidelijk beschrijven.

De type data die ik ga verzamelen zijn de meningen van de experts op reactieniveau (Hoobrouckx & Haak, 2001) over de bruikbaarheid van de docentenhandleiding. Hierbij wil ik de volgende vragen stellen:

1) Komen de ontwerpregels overeen met de inhoud van de docentenhandleiding? Zo nee, welk(e) element(en) mis je

2) Is de docentenhandleiding overzichtelijk geschreven? Graag een toelichting

3) Geeft de docentenhandleiding een aanvulling op module 1.6? Graag een toelichting 4) Is de huidige versie van de docentenhandleiding al bruikbaar. Graag een toelichting.

5) Zou jij zo een type docentenhandleiding gebruiken om jouw lessen voor te bereiden? Graag een toelichting.

6) Zijn er nog punten, elementen etc. die jij nog mist? Zo ja, welke

Tot slot wil ik de bruikbaarheid van de oefenopgaven in de docentenhandleiding valideren bij een klein groepje van leerlingen (minimaal drie leerlingen, maximaal vijf leerlingen). Voor dit groepje kies ik bewust voor de zwakkere leerlingen die bij de eerste 4V toets slecht hebben gescoord op de vragen over Lewisstructuren en het VSEPR-model. Deze validatie ga ik de week voor de volgende 4V toets uitvoeren, omdat beide onderwerpen hierin terugkomen.

De verkregen data uit validering I en II ga ik op twee manieren analyseren: inductief met ‘ The Grounded theory’) (Corbin & Straus, 1990) en deductief met de ‘framework approach’ methode (Hackett & Strickland, 2018).

6.2 Tijdsplanning

Week 44: Opdracht Educatief ontwerpen/ontwerpnotitie uitgebreid toelichten tijdens sectievergadering; volgende sectievergadering inplannen

Week 46: Individuele afspraak met VD; experts mailen voor interview Week 47: Herkansing ontwerpnotitie

Week 47: Validatie I met experts

Week 48: Validatie I met focusgroep en experts Week 49: Validatie II met een groep leerlingen

Week 50: Toets 4V met Lewisstructuren en VSEPR-model; Validatie II met experts Week 51: Validatie II met focusgroep en experts

18 Week 52/1: Schrijven van het Educatief Ontwerp eindverslag

7 Resultaten eerste validering

Bij validatie I en II is een deel van mijn experts weggevallen. De vakdidacticus van de VU en sectievoorzitter van het Blaise Pascal College hadden geen ruimte in hun agenda. Van de universitaire docent op de UvA heb ik geen respons gehad. Validatie I en II zijn alleen uitgevoerd met mijn focusgroep.

7.1 Resultaten deductieve analyse

Ik heb van het interview met de focusgroep een gespreksverslag opgenomen in bijlage 4 (pagina 40). De verkregen data heb ik eerst geanalyseerd (tabel 6) volgens de framework approach’ methode (Hackett & Strickland, 2018). Hierbij zijn de gekozen thema’s gebaseerd op mijn eerdere getrokken conclusies.

Tabel 6: Resultaten deductieve analyse validatie I

Thema Bijbehorende ontwerpregel Resultaat analyse

Toepassen van theorie

• Vaststellen voorkennis

• Theoretische kennis verkrijgen

•

Toepassen van het VSEPR-model

•

Beschrijving van het beoogde leereffect is niet concreet

•

Ontwerpregels 2 en 5 sluiten

niet aan het doel van de prototype

Verbanden leggen tussen theorieën

• Ontwikkelen van de nodige chemische redenatie over Lewisstructuren

•

Inzicht verkrijgen in het VSEPR-model

•

Beschrijving van het beoogde leereffect is niet concreet

7.2 Resultaten inductieve analyse

Vervolgens heb ik dezelfde data geanalyseerd met de met ‘ The Grounded theory’) (Corbin & Straus, 1990).

Tabel 7: Resultaten inductieve analyse validatie I

Thema Bijbehorende ontwerpregel Resultaat analyse

Leerkern leerling

• Ontwikkelen van de nodige chemische redenatie over Lewisstructuren

•

Inzicht verkrijgen in het VSEPR-model

•

De leerkern per ontwerpregel is niet concreet gedefinieerd.

Leerstof • Vaststellen voorkennis

• Theoretische kennis verkrijgen • Toepassen van het

VSEPR-model

• De leerstof per ontwerpregel is niet concreet gedefinieerd.

• Bij de beschrijvingen van deze

ontwerpregels kunnen belangrijke punten van de theorie worden opgenomen. • Er mist een ontwerpregel over formele

19

7.3 Verbeterde ontwerpregels

Uit validatie I kan ik vaststellen dat de ontwerpregels nog niet van voldoende kwaliteit zijn om hieruit het prototype te maken. Ik heb aan de hand van de resultaten, beschreven in paragraaf 7.1 en 7.2, en de verkregen feedback over mijn ontwerpnotitie (herkansing) de ontwerpregels aangepast. Uit de verkregen feedback over mijn ontwerpnotitie kwam het volgende naar voren:

•

De ontwerpregels missen de essentie van de Lewisstructuur

•

Er worden zaken genoemd in de empirische verkenning die niet terugkomen in de ontwerpregels

In tabel 8 zijn de verbeterde ontwerpregels te vinden. Het belangrijkste conclusie uit validatie I was, dat de ontwerpregels volledig en concreet moesten worden beschreven.

Tabel 8: Tweede versie ontwerpregels

Nr Ontwerpregel (X) Omschrijving ontwerpregel Bijbehorende leeractiviteiten Beoogde leereffecten (Y) Theoretische achtergrond 1 Vaststellen voorkennis m.b.t het atoommodel van Bohr De paragraaf begint met verwijzing naar het atoommodel van Bohr a.d.h.v. een voorbeeld Leerlingen maken een elektronenverdeli ng van het gegeven voorbeeld Leerlingen kunnen a.d.h.v. de elektronenverdelin g bepalen of een element voldoet aan de octetregel Haemers (2014); 2 Het verband vaststellen tussen het atoommodel van Bohr en de octetregel Vanuit het atoommodel van Bohr wordt de overstap gemaakt naar de octetregel De docent definieert de octetregel en de leerlingen nemen dit over Leerlingen kunnen de definitie van de octetregel definiëren. Haemers (2014) 3 Benoemen dat er uitzonderingen zijn op de octetregel Leerlingen confronteren met de duetregel en zijn verschil met de octetregel Leerlingen maken de elektronenverdeli ng van waterstof en helium Leerlingen kunnen vaststellen dat helium en waterstof maximaal twee elektronen in de buitenste schil kunnen hebben Haemers (2014); 4 Het gebruiken van een alternatieve stappenplan voor het opstellen van een Lewisstructuur De Lewisstructuur kan worden opgesteld op verschillende manieren De docent geeft een alternatieve stappenplan t.o.v. van het boek.

Leerlingen stellen voor zichzelf vast welk stappenplan effectief is.

Kaufman (2017)

20 5 De belevingswereld van de leerlingen verrijken over het VSEPR-model. Het inzicht verkrijgen van alle verschillende ruimtelijke structuren. Leerlingen werken met computersimulati es over het VSEPR-model. Leerlingen kunnen de verschillende ruimtelijke structuren tekenen Cooper (2009) 6 Het verband leggen tussen Lewisstructuren en het VSEPR-model De ruimtelijk structuur afleiden van een Lewisstructuur . Leerlingen bepalen van meerdere moleculen de ruimtelijke structuur. Leerlingen kunnen de ruimtelijke structuur van een molecuul bepalen Packer&Wood gate (1991); Cooper (2009) 7 Een rekenformule voor de formele lading aanreiken. De formele lading kan ook bepaald worden met een rekensom Leerlingen vullen voor verschillende elementen de rekenformule in Leerlingen stellen vast welke

methode voor hen effectief is om de formele lading te bepalen.

Nova Scheikunde

8 Inzichtelijke beschrijving van het prototype

8.1 Eerste opzet prototype

In mijn ontwerpnotitie had ik een opzet voor de prototype opgenomen en de aangepaste versie hiervan bevindt zich na deze alinea. Deze opzet functioneert voor mij als een plan van aanpak voor het construeren van de docentenhandleiding. De plan van aanpak heb ik gebaseerd op de methode beschreven door Davis et al. (2014). De eerste drie stappen van de methode, in het proces van het onwikkelen van studiemateriaal zoals een docenthandleiding, komen overeen met hoofdstukken 1 t/m 5. De vervolgstappen zijn: een overzicht maken van de elementen die in het materiaal moeten voorkomen en aan de hand hiervan het materiaal te maken. Ik heb daarom per ontwerpregel aangegeven welke elementen in de docentenhandleiding moet voorkomen.

Ontwerpregel 1: vaststellen voorkennis m.b.t het atoommodel van Bohr

•

Verantwoording: door de nodige voorkennis vast te stellen, wordt de aandacht gericht op de leerdoelen van de les of lessenreeks (Ebbens & Ettekoven, 2015).

•

Leerdoel: de elektronenverdeling van een atoom kunnen opstellen aan de hand van het atoommodel van Bohr.

•

De docentenhandleiding begint met een kort alinea over het atoommodel van Bohr (met eventueel een verwijzing naar paragraaf 1.4) als herhaling voor dit onderwerp.

•

In de les geeft de docent een aantal oefenopgaven om deze theorie te herhalen en na te gaan of de leerlingen de bijbehorende leerdoel hebben behaald.

21 Ontwerpregel 2: Het verband vaststellen tussen het atoommodel van Bohr en de octetregel

•

Leerdoel: kunnen uitleggen wat de octetregel inhoudt.

•

De docentenhandleiding vervolgt met een uitleg met aanwijzingen over het uitleggen van de octetregel en het verband met het atoommodel van Bohr.

•

Verantwoording: door verbanden te leggen tussen verschillende theorieën en deze mee te geven aan leerlingen, verhoogt een docent het beoogde leereffect (Ebbens&Ettekoven). Ontwerpregel 3: Benoemen dat er uitzonderingen zijn op de octetregel

• Leerdoel: het kunnen uitleggen wat de duetregel inhoudt en het verschil met de octetregel. • De aanwijzing noteren dat dit gedeelte te verduidelijk is met voorbeelden.

Ontwerpregel 4: het gebruiken van een alternatieve stappenplan voor het opstellen van een Lewisstructuur

• Leerdoelen:

o

Kunnen uitleggen wat een Lewisstructuur is

o

Een Lewisstructuur van een molecuul kunnen tekenen

•

Aanwijzingen geven voor het uitleggen van de Lewisstructuur

•

Een alternatieve stappenplan geven voor het tekenen van Lewisstructuur en bevestigen met voorbeelden. Bijvoorbeeld het stappenplan van Nova Scheikunde of Haemers (2014).

•

Voorbeelden kunnen zijn: water, koolstofdioxide en ammoniak

•

Aansluitend nog een tweede voorbeeld met een wat moeilijk molecuul, zodat de leerlingen kunnen nagaan hoe je de stappenplan kan toepassen op een lastigere molecuul. Hierbij kan de term formele lading geïntroduceerd worden, waarbij er een rekenformule wordt gegeven om de formele lading te bepalen.

•

De leerlingen kunnen vervolgens aan de slag met de eerste X aantal opgaven van de paragraaf, waarbij vraag 1 een rijtje van moleculen zijn waarvan de leerling een Lewisstructuur moet opstellen

•

Verantwoording: elke leerling leert op zijn eigen manier, waardoor een aangereikte stappenplan uit een lesboek niet altijd passend is voor deze leerling. Door verschillende leermethodes aan te reiken, krijgt een leerling de kans om zijn eigen handelen te analyseren en een effectieve leermethode aan te nemen (Woolfolk, Hughes, & Walkup, 2013)

Ontwerpregel 5: de belevingswereld van de leerlingen verrijken over het VSEPR-model

•

Leerdoelen:

o

Kunnen uitleggen wat het VSEPR-model inhoudt

o

Kennen van de verschillende ruimtelijke structuren

•

Overzicht geven van de ruimtelijke structuren die een docent kan gebruiken in de les.

•

De computerprogramma ‘Organicoad’ aanreiken, waarmee leerlingen in 3D kunnen kijken

naar ruimtelijke structuren.

•

Verantwoording: Het gebruiken van computersimulaties kan het leereffect van een leerlingen verhogen (Moore et al., 2014). Het geeft de docent ook de mogelijkheid om een activerende werkvorm te gebruiken.

22 Ontwerpregel 6: Het verband leggen tussen Lewisstructuren en het VSEPR-model

•

Leerdoel: de ruimtelijke structuur van een molecuul kunnen bepalen a.d.h.v. het VSEPR-model en Lewisstructuur.

•

Aanwijzingen geven voor de uitleg over het bepalen van de ruimtelijke structuur.

•

Verantwoording: idem als ontwerpregel 2

Ontwerpregel 7: Een rekenformule voor de formele lading aanreiken.

•

Leerdoel: De formele lading van een atoom kunnen bepalen.

•

De docentenhandleiding sluit af met een rekenformule voor formele lading, zoals weergegeven in Nova Scheikunde (Bijlage 1, pagina XX).

•

Aanwijzing geven dat leerlingen hiermee de resterende opgaven kunnen maken.

•

Verantwoording: idem als ontwerpregel 2.

8.2 Eerste versie docentenhandleiding

Uit de beschreven opzet in paragraaf 8.1 heb ik eerste versie van de docentenhandleiding gemaakt. Deze versie is te vinden in bijlage 5 (pagina 44) en is gebruikt voor validatie II.

9 Resultaten tweede validering

Ik heb de verkregen data uit de focusgroep op dezelfde manier geanalyseerd als bij hoofdstuk 7. Het gesprekverslag is te vinden in bijlage 7 (pagina 51). Daarnaast heb ik mijn vakdidacticus ook feedback commentaar gekregen op mijn docentenhandleiding. Een overzicht van dit commentaar in te vinden in bijlage 6 (pagina 45) en is ook verwerkt als data.

9.1 Resultaten deductieve analyse

Tabel 9: Resultaten deductieve analyse validatie II

Thema Bijbehorende ontwerpregel Resultaat analyse

Toepassen van theorie

• het gebruiken van een

alternatieve stappenplan voor het opstellen van een

Lewisstructuur (4)

• Een rekenformule voor de formele lading aanreiken.(7)

•

Belangrijke termen moeten toegelicht worden.

•

Het verschil in gebruik van vaktermen toelichten.

•

Het gebruiken van alternatieven stappenplan geeft ruimte voor ontwikkeling.

Verbanden leggen tussen theorieën

• Het verband vaststellen tussen het atoommodel van Bohr en de octetregel (2)

• Het verband leggen tussen Lewisstructuren en het VSEPR-model (6)

• Het gebruiken van verbanden in de docentenhandleiding maakt dit een samenhangend geheel.

•

Hier is ruimte om te differentiëren in de klas.

23

9.2 Resultaten inductieve analyse

Tabel 10: Resultaten inductieve analyse validatie II

Thema Bijbehorende ontwerpregel Resultaat analyse

Leerstof • vaststellen voorkennis m.b.t het atoommodel van Bohr (1)

• Efficiënt dat de valkuilen zijn benoemd en toegelicht.

• Aanwijzingen concreet formuleren • Een korte samenvatting van de

belangrijke (theoretische) punten kun verhelderend zijn.

• Docentenhandleiding beperken tot examenstof en geen extra theorie noemen

Inzicht • Benoemen dat er uitzonderingen

zijn op de octetregel (3) • de belevingswereld van de

leerlingen verrijken over het VSEPR-model (5)

• Het benoemen van uitzonderingen kan tot verwarring leiden bij leerlingen. • Het gebruiken van activerende

werkvormen kan motiverend werken.

9.3 Resultaat validatie oefenopgaven

Ik heb aan zes leerlingen de oefenopgaven van de docentenhandleiding voorgelegd. De leerlingen waardeerde deze opgaven als extra oefenopgaven die zij kunnen gebruiken als voorbereiding voor de toets. Geen relevante data is uit dit proces gekomen.

10 Conclusie en discussie

10.1 Ontwerphypothese en ontwerpregels

Een deel van de ontwerpregels zijn gerealiseerd, namelijk ontwerpregel 2 en 6 (tabel 5, pagina 19). De analyse beschreven in paragraaf 9.2 en 9.3 (pagina 23) gaf geen correcties aan voor deze ontwerpregels. Deze ontwerpregels waren ook goed naar voren gekomen in de docentenhandleiding, namelijk alle elementen zaten erin.

De ontwerpregel 4 is niet goed uit de verf gekomen. In de docentenhandleiding is er geen alternatieve methode gegeven om de Lewisstructuren te tekenen. Tijdens het schrijven van de docentenhandleiding had ik deze ontwerpregel deels buiten beschouwing gehouden. Ik probeerde in mijn 4V klas een alternatieve methode te geven en dit leidt tot verwarring. De meeste leerlingen vinden het ‘veilig’ om de methode in het boek aan te houden. Uit de focusgroep kwam wel naar voren dat alternatieve methoden worden gewaardeerd, omdat je hiermee ruimte kunt creëren om te differentiëren. Een docent kan verschillende methoden geven op basis van de verschillende leerniveaus in de klas. Bijvoorbeeld, een stappenplan met meerdere stappen wordt gewaardeerd door een zwakkere leerling. Hij/zij kan in kleine stappen werken. Een voorbeeld voor een stappenplan met meerdere stappen is te vinden in bijlage 8 (pagina 48). Een andere optie is om de stappenplan die nu in Chemie in Onderzoek staat aan te passen, door bijvoorbeeld het bepalen van de formele lading als een stap op te nemen. Leerlingen moeten Lewisstructuren kunnen tekenen met formele lading en

24 hiermee biedt deze optie een volledig plaatje aan. Hiervoor zou ontwerpregel 7 samengevoegd kunnen worden met ontwerpregel met ontwerpregel 4.

Een andere conclusie is, dat de docentenhandleiding oefenopgaven bevat maar geen ontwerpregel hiervoor is gemaakt. Ik vond het tijdens het ontwikkelen van de docentenhandleiding niet relevant, maar besef nu dat het een onderdeel is van het ontwerp, dus er moet een ontwerpregel over de oefenopgaven aanwezig zijn. Ik zou aanbevelen om de ontwerpregels aan te vullen met een ontwerpregel over de oefenopgaven. Hiermee maak je het ontwerp volledig.

De ontwerpregels hebben uiteindelijk wel tot een product geleid, maar ik kan niet vaststellen of de ontwerphypothese is gerealiseerd. Er is geen onderzoek gedaan of een docent met de huidige docenthandleiding het gewenste leereffect bij de leerling bereikt. Er zou daardoor een vervolgonderzoek moet komen om dit vast te stellen. Het uitvoeren van een micro-evaluatie zou een optie zijn als vervolgonderzoek. Een klein groepje docenten kunnen de prototype testen en verder evalueren om tot een goed bruikbaar product te komen.

10.2 De Prototype

Terugkijkend naar mijn verkenning en ontwerpvraagstuk ben ik van mening, dat het maken van een docentenhandleiding als product een goed keuze was. De focusgroep was over het algemeen positief en zouden een docentenhandleiding (wanneer deze volledig is afgerond) gebruiken bij hun lessen. Hierom kan ik vaststellen dat een docentenhandleiding kan functioneren als hulpmiddel voor docenten. Echter heeft de huidige docentenhandleiding aanpassingen nodig. Allereerst zou ik aanbevelen om de opmerkingen in bijlage 6 en 7 (pagina 44-45) te verwerken. Vervolgens zou ik de ontwerpregels en de prototype nogmaals laten valideren, maar nu met de experts die oorspronkelijk in hoofdstuk 6 zijn genoemd. Het uiteindelijke validatie is niet van hoge kwaliteit. Er is alleen een focusgroep gebruikt die op mijn stageschool werkt en hierbij is de kans groot dat zij een mindere objectieve mening hebben. Dit leidt tot verminderde betrouwbaarheid van de data.

11 Analytische terugblik

Het ontwikkelen van de prototype verliep als een sinusoïde. Het begon positief met het bedenken van een onderwerp, want deze had ik gauw. Ik vind de onderwerpen Lewisstructuren en VSEPR-model als organisch chemicus leuk en de meeste leerlingen vinden deze onderdelen lastig. Ik zag een win-win situatie aankomen, maar ik werd te veel geleid tot mijn enthousiasme. Ik heb in september mijzelf te weinig verdiept in de opdracht van de prototype, waardoor ik tegen de ontwerpnotitie aanliep. Ik raad de toekomstige student aan om de studiehandleidingen en aanbevolen literatuur in het begin goed door te nemen. Maak aan de hand hiervan een duidelijk plan van aanpak. Ik had alleen globale planning gemaakt, waardoor ik in tijdsnood kwam met de ontwerpnotitie. Dit resulteerde ook in een herkansing. Ik had mijn organisatorische vaardigheden beter moeten gebruiken. Daarentegen, raakte ik gemotiveerd tijdens het maken van mijn herkansing. Ik werd enthousiast om mijn prototype te gaan maken. Ik kreeg voldoening van het idee, dat ik een product kan ontwikkelen (voor de sectie) die bruikbaar is. Jammer genoeg heb ik door de herkansing te laat gewacht met contacteren van mijn experts. Ik heb gewacht op de uitslag van mijn herkansing om verder te gaan met mijn prototype. Volgens de handleiding moest je eerst een GO hebben. Hierdoor hadden de vakdidacticus en sectievoorzitter geen ruimte om onderdeel te zijn van mijn validatie. Voor de volgende keer zou ik het zekere van het onzekere nemen en de experts al inplannen, voordat ik een GO heb. De data kan altijd gebruikt worden of het vak nou over gedaan moet worden of niet. Uiteindelijk heb ik de validatie met

25 de genoemde focusgroep in hoofdstuk 6 uitgevoerd, tevens de sectie scheikunde op mijn stage school. Zij reageerde enthousiast op het prototype, waardoor ik de prototype verder wil afmaken en in het schooljaar 2020-2021 wil uittesten binnenin de sectie. Ik vind het zonde om dit te laten liggen, terwijl ik nodige vaardigheden heb opgedaan om (les)materiaal te ontwikkelen uit een ontwerpwens. Dit was mijn grootste leertraject.

26

Literatuurlijst

Amsterdam, V. (2019, oktober 28). VU studiegids. Opgehaald van studiegids.vu.nl: https://studiegids.vu.nl/nl/bachelor/2019-2020/farmaceutische-wetenschappen

Bohr, N. (1913). On the constitution of atoms and molecules. Philosophical magazine, 1901-1925. Cito. (2019, november 20). Examens 2017-2018-2019. Opgehaald van cito.nl:

https://www.cito.nl/onderwijs/voortgezet-onderwijs/centrale-examens-voortgezet-onderwijs/examenvoorbereiding/examenpakketten/copy-of-vwo-2019-2018-2017

Cooper, M. M., Grove, N. P., Pargas, R., & Sam P. Bryfczynski, T. G. (2009). OrganicPad: an interactive freehand drawing application for drawing Lewis structures and the development of skills in organic chemistry. Chemical Education Research Practice, 296-301.

Cooper, M. M., Grove, N., & Underwood, S. M. (2010). LostinLewisStructures:

AnInvestigationofStudent Difficulties in Developing Representational Competence. Journal of

Chemical Education, 869-874.

Corbin, J., & Straus, A. (1990). Grounded Theory Research: Procedures, Canons, and Evaluatieve Criteria. Qualitative Sociology, 3-21.

Cvte. (2009). Examenprogramma scheikunde vwo scheikunde 1,2. Den Haag: Cvte. Opgehaald van Examenblad,b.

DAVIS, E. A., PALINCSAR, A. S., ARIAS, A. M., BISMACK, A. S., MARULIS, L. M., & IWASHYNA, S. K. (2014). Designing Educative Curriculum Materials: A Theoretically and Empirically Driven Process. Harvard Educational Review , 24-52.

Drake, C., Land, T. J., & Tyminski, A. M. (2014). Using Educative Curriculum Materials to Support the Development of Prospective Teachers’ Knowledge. Educational researcher, 154-162. Examens, C. v. (2019, oktober 28). Examenblad. Opgehaald van Examenblad.nl:

https://www.examenblad.nl/examenstof/syllabus-2020-scheikunde-vwo/2020/vwo/f=/scheikunde_2_versie_vwo_2020.pdf

Examens, C. v. (2019, november 20). Scheikunde vwo 2016. Opgehaald van examenblad.nl:

https://www.examenblad.nl/examen/scheikunde-vwo-2/2016/vwo?topparent=vg41h1h4i9qe

Gillespie, R. J. (1963). The Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) Theory of directed valency.

Journal of Chemcical Education, 295-301.

Hackett, A., & Strickland, K. (2018). Using the framework approach to analyse quanlitative data: a worked example. Nurse Researcher, 1-9.

Haemers, S. (2014). Lewisstructuren in het Journal of Chemical Education. NVOX, 352-354.

Johnstone, A. (1993). The Development of Chemistry Teaching . Journal of Chemical Education, 701-705.

Kaufmann, I., Hamza, K. M., Rundgren, C.-J., & Eriksson, L. (2017). Developing an approach for teaching and learning about Lewis structures. Journal of Science Education, 1601-1624.

27 Lewis, G. N. (1916). The atom and molecule. Journal of the American Chemical Society, 762-785. McKenna, A., & McKenna, J. (1984). Teaching VSEPR Thepry. Chemical Principles revisted, 771-773. Packer, J. E., & Woodgate, S. D. (1991). Lewis Structures, Formal Charge, and Oxidation Numbers.

Journal of Chemical Education, 456-458.

Schneider, R. M., & Krajcik, J. (2002). Supporting Science Teacher Learning: The Role of Educative Curriculum Materials. Journal of Science Teacher Education, 221-245.

Tiettmeyer, J. M., Coleman, A. F., Balok, R. S., Gampp, T. W., Duffy, P. L., Mazzarone, K. M., & Grove, N. P. (2017). Unraveling the Complexities: An Investigation of the Factors That Induce Load in Chemistry Students Constructing Lewis Structures. Journal of Chemical Education, 282-288. UvA. (2019, oktober 28). UvA studiegids. Opgehaald van studiegids.uva.nl:

28

Bijlage 1 Scan Nova Scheikunde

34

Bijlage 2: Scan methode Chemie in Onderzoek