UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (https://dare.uva.nl)
Students reinventing the general law of energy conservation
Logman, P.S.W.M.
Publication date
2014
Link to publication
Citation for published version (APA):
Logman, P. S. W. M. (2014). Students reinventing the general law of energy conservation.
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.
169
Probleemdefinitie
In traditioneel onderwijs hebben studenten moeite om het concept energiebehoud toe te passen in verscheidene situaties (Borsboom et al., 2008; Liu et al., 2002) en om het te herzien wanneer dat nodig blijkt (Kaper, 1997). De algemene wet van energiebehoud wordt voornamelijk onderwezen als een onbetwistbaar feit. Dit kan er de oorzaak van zijn dat studenten de algemene toepasbaarheid van de wet niet erkennen en hun leefwereldconceptie van energie niet herzien (Borsboom et al., 2008; De Vos et al., 2002; Doménech et al., 2007; Driver & Warrington, 1985; Kaper, 1997; Liu et al., 2002).
Om de algemene wet van energiebehoud met bewijsmateriaal te onderbouwen hebben we gekozen voor een geleide herontdekking van de wet (Freudenthal, 1991) als onze conceptuele aanpak. Freudenthal zegt dat kennis en vaardigheden, wanneer ze ontwikkeld zijn door eigen activiteit, beter onthouden worden en sneller te gebruiken zijn dan als ze opgelegd zijn door anderen. In op contexten gebaseerd onderwijs krijgen concepten betekenis voor studenten door de studenten in wetenschappelijke of maatschappelijk relevante activiteiten te betrekken (Bulte et al., 2006; Gilbert, 2006). Om de studenten de relevantie en het nut van wetenschap in het algemeen te laten waarderen hebben in Nederland de vernieuwingscommissies geadviseerd om voor de exacte vakken op contexten gebaseerd onderwijs te gebruiken (Boersma et al., 2007; Commissie Vernieuwing Natuurkunde onderwijs havo/vwo, 2006; Driessen & Meinema, 2003).
Twee belangrijke problemen in op contexten gebaseerd onderwijs die om een oplossing vragen zijn de moeilijkheid om transfer van kennis van de ene context naar een andere te bewerkstelligen (Parchmann et al., 2006; Schwartz, 2006; Goedhart et al., 2001) en de moeilijkheid om binnen contexten abstracte concepten te ontwikkelen (Parchmann et al., 2006; Pilot & Bulte, 2006; Schwartz, 2006). Beide problemen betreffen de wendbaarheid van het door studenten ontwikkelde conceptie. De moeilijkheid om transfer te bereiken betreft de toepasbaarheid van de door studenten ontwikkelde concepties en de moeilijkheid om abstracte concepten te ontwikkelen betreft de herzienbaarheid van de door studenten ontwikkelde concepties.
Om een bijdrage aan een oplossing aan deze twee moeilijkheden te leveren en om de algemene wet van energiebehoud met bewijsmateriaal te onderbouwen hebben we gekozen voor een combinatie van geleide herontdekking met op contexten gebaseerd onderwijs.
Geleide herontdekking betekent niet dat studenten de historische ontdekking van de algemene wet van energiebehoud moeten overdoen: achteraf gezien kunnen we de studenten langs een meer efficiënte route richting het concept leiden. Historisch gezien is het energieconcept gegroeid van de ontdekking van verscheidene deelwetten van energiebehoud (b.v. Huygens’ ontdekking van het behoud van vis viva voor elastische botsingen (Hugenii, 1728)), en het met
170
elkaar verbinden van die wetten wanneer een nieuwe situatie daarom vraagt. Joule beschreef veel van zulke deelwetten van energiebehoud waarin calorie, vis viva en andere variabelen met elkaar verbonden zijn. Omdat hij al deze deelwetten kende, was hij ervan overtuigd dat er een vaste verhouding tussen mechanische energie en warmte moest bestaan al voordat hij zijn beroemde experiment uitvoerde (Joule, 1850). Wij hebben ervoor gekozen om onze studenten tot een vergelijkbare overtuiging te brengen door ze verschillende deelwetten van energiebehoud te laten herontdekken betreffende zwaarte-energie, thermische energie en kinetische energie (conceptuele leerstap I). Vervolgens leiden we de studenten in het combineren van die deelwetten tot één grote wet om zo de toepasbaarheid van de wetten te vergroten (conceptuele leerstap II). De mogelijkheid om altijd deelwetten te kunnen combineren wanneer een nieuwe situatie daarom vraagt kan studenten ervan overtuigen, net zoals Joule dat gebeurde, dat de wet van energiebehoud toepasbaar is op elke situatie (conceptuele leerstap III). Van een dergelijk leerproces hebben wij de verwachting dat het de toepasbaarheid en herzienbaarheid van de door studenten ontwikkelde concepties van energie verbetert.
Gilbert (2006) kiest ‘context als de maatschappelijke omstandigheden’ als de meest veelbelovende categorie van contexten. Boersma (2007) specificeert deze keuze preciezer door authentieke handelingspraktijken te kiezen als contexten voor het onderwijs. Een manier om studenten de relevantie van wat er geleerd is te laten beleven is de probleemstellende aanpak. Lijnse en Klaassen (2004) stellen dat in een dergelijke aanpak het leren van studenten gestuurd moet worden door problemen waarmee studenten zich kunnen identificeren. Om studenten door het gehele leerproces te motiveren combineren verscheidene onderzoekers het gebruik van authentieke handelingspraktijken met de probleemstellende aanpak (Dierdorp et al., 2011; Westra, 2008; Bulte et al., 2006). Wij hebben ook voor een dergelijke combinatie gekozen.
Voor dit onderzoeksproject hebben we de interactie tussen concept en context onderzocht in een lessenserie die ten doel heeft om een wendbaar begrip van energiebehoud te ontwikkelen in studenten. Dit leidde ons tot de volgende hoofdvraag:
Hoe werken context en concept samen in op contexten gebaseerd onderwijs dat geschikt is om een wendbaar begrip van energie te ontwikkelen?
Methode & Analyse
Met behulp van de methode van ontwerpgericht onderzoek (Van den Akker et al., 2006) is een lessenserie ontwikkeld die de uitdaging aanneemt om studenten het abstracte begrip energiebehoud te laten herontdekken binnen authentieke handelingspraktijken. De lessenserie is in drie cycli uitgeprobeerd in veertien klassen met zestien- en zeventienjarige studenten bij negen docenten.
171
We hebben ervoor gekozen om drie technisch ontwerpopdrachten te gebruiken, elk bedoeld om studenten een deelwet van energiebehoud te laten herontdekken: het ontwerpen van een tilapparaat om een zware deksteen te tillen in het oude Griekenland (gericht op de herontdekking van ∑ ), het ontwerpen van een thermostatische waterkraan (gericht op de herontdekking van ∑ ) en het ontwerpen van een achtbaan waarbij de karretjes omhoog worden afgeschoten (gericht op de herontdekking van ∑ ∑ ).
Deze opdrachten worden gevolgd door twee wetenschappelijke opdrachten waarin studenten de mogelijkheden onderzoeken om de eerdere opdrachten gezamenlijk met één combinatiewet te beschrijven. De eerste van deze twee opdrachten bevat het beroemde experiment van Joule en is bedoeld om de eerste twee deelwetten te combineren: ∑ ∑ . De tweede wetenschappelijke opdracht is bedoeld om ook de derde deelwet in de combinatiewet op te nemen: ∑ ∑ ∑ .
Een derde en laatste wetenschappelijke opdracht vraagt de studenten of een dergelijk combinatieproces altijd mogelijk is. Deze opdracht is gebruikt om te testen of studenten de noodzaak zien voor een uitbreiding van de wet en of ze daadwerkelijk een nieuwe deelwet kunnen afleiden (∑ ∑ )1 en die in de combinatiewet kunnen opnemen wat zou moeten resulteren in de volgende wet: ∑ ∑ ∑ ∑ . Uit een analyse van hun antwoorden op deze laatste opdracht kunnen we bepalen of de studenten overtuigd zijn geraakt dat een uitbreiding van de behoudswet altijd mogelijk is. Tijdens het ontwikkelen van een onderwijsontwerp kunnen drie stadia onderscheiden worden: een eerste test om te onderzoeken of het voor studenten in principe mogelijk is om het leerdoel te halen, een tweede test om te analyseren hoe de leerstappen richting dat leerdoel functioneren en hoe die geoptimaliseerd kunnen worden en tot slot een laatste test om de conceptuele resultaten van het uiteindelijke onderwijsontwerp te analyseren (Plomp, 2007; Gravemeijer & Cobb, 2006; Nieveen, 1999).
Het succes van elke conceptuele leerstap in de lessenserie hangt af van de resultaten van de eerdere conceptuele leerstappen. Het onderzoek naar de haalbaarheid van het leertraject voor studenten is daarom steeds met één nieuwe leerstap tegelijk gedaan. Daarom hebben de verschillende conceptuele leerstappen in de lessenserie elk een verschillend stadium van ontwikkeling bereikt.
De eerste stap van afleiden van deelwetten uit metingen is drie keer uitgeprobeerd. De tweede stap van deelwetten combineren is twee keer uitgeprobeerd. De derde stap van extrapoleren van de combinatieprocedure om
1 Waarin U het elektrische potentiaalverschil over een condensator is C de elektrische
172
een voorspelling te doen of een uitbreiding van de wet altijd mogelijk is slechts één keer uitgeprobeerd.
Uit de geluidsopnamen en de door studenten ingeleverde werkbladen gedurende de drie try-outs hebben we de volgende vier eigenschappen van authentieke handelingspraktijken geïdentificeerd die bijdragen aan het bedoelde leerproces. Het probleem zoals gegeven aan de studenten binnen een authentieke handelingspraktijk moet in een tijd of plaats geplaatst worden waarin een kant-en-klare oplossing niet beschikbaar is om zo de studenten de noodzaak voor het uitvoeren van een experiment te doen inzien. Ten tweede moet het probleem om een oplossing vragen die alleen op schaal uitgeprobeerd kan worden zodat studenten de noodzaak van een natuurkundige wet inzien om de resultaten van de test op schaal te extrapoleren naar de werkelijkheid. Om de studenten op het zelf combineren van deelwetten van energiebehoud voor te bereiden moet het probleem zo beschreven zijn dat een goede oplossing ervoor een geïsoleerd systeem vereist. Tot slot raden we aan om binnen de laatste wetenschappelijke opdracht de handelingspraktijk op een natuurlijke manier de studenten te laten leiden naar een wetenschappelijk debat over de algemene geldigheid van de wet van energiebehoud. Zo kunnen de studenten de noodzaak in gaan zien van het bespreken van alle benodigde procedurele stappen voordat ze een generalisatie van de geldigheid van de wet voorstellen.
Het uiteindelijke onderwijsontwerp is in vier klassen van zestien- en zeventienjarigen bij vier docenten uitgeprobeerd om de conceptuele resultaten vast te stellen. De lessenserie verving de traditionele kwantitatieve introductie in energie bij natuurkunde. De manier waarop de studenten hun begrip van energiebehoud ontwikkelden is geanalyseerd door waar te nemen of de studenten hun begrip van energie succesvol aanpasten en of ze hun begrip van energiebehoud succesvol konden toepassen op verschillende situaties.
De herzieningen door studenten van hun begrip van energiebehoud zijn gevolgd door de gedurende het leerproces ingeleverde werkbladen en rapporten te analyseren. Of de studenten hun begrip van energiebehoud konden toepassen op verschillende situaties is gehaald uit de resultaten van de studenten op een kwantitatieve eindtoets. Daarnaast is aan de studenten de Energy Concept Inventory (Swackhamer & Hestenes, 2005) gegeven om zo hun conceptuele resultaten te kunnen vergelijken met eerder onderzoek.
Om de herzienbaarheid te analyseren zijn drie niveaus gedefinieerd gebaseerd op de drie conceptuele leerstappen die de studenten geacht werden te nemen: Niveau 1.1: studenten kunnen een deelwet afleiden uit specifieke situaties. Niveau 1.2: studenten kunnen verschillende deelwetten combineren tot één wet.
Niveau 1.3: studenten kunnen de procedure om deelwetten van energiebehoud te combineren extrapoleren om de algemene wet van behoud van energie vast te kunnen stellen.
173
De eerste twee van de genoemde niveaus kunnen gegeneraliseerd worden naar andere gevallen waarin deelwetten voorkomen2.
Om de toepasbaarheid te analyseren zijn de eindrapporten van de studenten voor elke opdracht bekeken of daarin door de studenten de herontdekte deelwet toegepast werd op het gegeven probleem (zeer nabije transfer). De toepasbaarheid is verder geanalyseerd door de antwoorden van studenten op toetsvragen betreffende nieuwe situaties uit de domeinen van eerder in de technisch ontwerpopdrachten onderzochte deelwetten (nabije transfer), en de antwoorden van studenten op een toetsvraag betreffende een situatie uit het niet nader onderzochte domein van de resulterende combinatiewet van alle drie de herontdekte deelwetten (∑ ∑ ∑ )(verre transfer).
Resultaten
De resultaten voor de toepasbaarheid van het begrip van studenten van energiebehoud op kwalitatieve situaties uit de Energy Concept Inventory liet resultaten zien (een score van 40,9%) die vergelijkbaar zijn met de resultaten voor achttienjarigen net voor hun eindexamen (Borsboom et al., 2008). Een groot percentage van de studenten (61,8%) realiseerde zich dat het toepassen van de herontdekte deelwet van energiebehoud hun bijbehorende advies voor de technisch ontwerpopdrachten zou verbeteren. Op de toetsvragen betreffende nabije transfer (vergelijkbaar met Nederlandse examenvragen) gaf gemiddeld 71,1% van de studenten een conceptueel correct antwoord. Op de toetsvraag betreffende verre transfer over een situatie met daarin een verandering van zwaarte-, thermische en kinetische energie gaf 26,3% van de studenten een conceptueel correct antwoord.
Door uit meetresultaten een deelwet af te leiden liet 64,7% van de studenten zien dat ze herzienbaarheidsniveau 1.1 gehaald hebben. Van de studenten was 32,4% in staat om deelwetten correct te combineren. Daarmee hebben ze laten zien dat ze herzienbaarheidsniveau 1.2 gehaald hebben. Het extrapoleren van de procedure om deelwetten te combineren is maar één keer uitgeprobeerd. Geen van de studenten gaf een complete bespreking van de combinatieprocedure maar 38,2% besprak minimaal één van de stappen in die procedure om hun mening over de algemene geldigheid van de wet te onderbouwen. Bijna twee derde van de studenten concludeerde dat het altijd mogelijk is om de behoudswet uit te breiden wanneer nodig en dus dat de wet algemeen geldig is. Geen van de studenten stelde dat een uitbreiding van de wet onmogelijk zou zijn.
Dat ongeveer twee derde van de studenten herzienbaarheidsniveau 1.1 bereikt, ongeveer één derde niveau 1.2 en ook ongeveer een derde stappen neemt in de richting van niveau 1.3 laat zien dat het, zelfs voor zestienjarigen, mogelijk is om
2Zoals de wetten van Boyle, Gay-Lussac en Avogadro die alle drie deelwetten van de
174
de bijbehorende conceptuele leerstappen I, II en III te nemen. De resultaten wat betreft de toepasbaarheid door studenten van het begrip van energiebehoud zijn vergelijkbaar met de resultaten van Nederlandse examenstudenten in traditioneel onderwijs.
In het leerproces toonden de studenten vooruitgang in vaardigheden zoals het formuleren van onzekerheden over hun voorlopige technische ontwerp, het beschrijven van passende experimenten om hun ontwerp te testen, het afleiden van natuurkundige wetten uit meetresultaten, het zien van het nut van het gebruik van natuurkundige wetten om hun ontwerp te verbeteren en het reflecteren op de procedure van het afleiden van zulke wetten. In traditioneel onderwijs op het gebied van energie worden deze vaardigheden gewoonlijk niet aangesproken. Een combinatie van het herontdekken van een gewenst begrip en het gebruik van authentieke handelingspraktijken om dat voor elkaar te krijgen lijkt daarom mogelijk, zelfs voor een abstract begrip als energiebehoud.
De lessenserie neemt ongeveer 30% meer tijd in gebruik dan de traditionele kwantitatieve introductie tot energiebehoud. In onze aanpak is echter een introductie tot technisch ontwerpen en de wetenschappelijke methode ingebouwd.
Van de drie conceptuele leerstappen zijn de laatste twee slechts beperkt uitgeprobeerd. De belangrijkste problemen wat betreft deze twee leerstappen zijn de moeilijkheden van studenten om eerder vastgestelde randvoorwaarden (zoals een geïsoleerd systeem) toe te passen op de door hen voorgestelde experimenten en het zich herinneren van de benodigde procedurele stappen om deelwetten te combineren alsmede het kritisch begrip van die stappen.
Het is aanbevolen om de rol van randvoorwaarden in de lessenserie uit te breiden en er is beschreven hoe de aanbevelingen te implementeren. Aan het einde van de lessenserie zou een wetenschappelijk debat geïmplementeerd kunnen worden nadat de studenten hun eigen mening gevormd hebben over de algemene geldigheid van de wet van energiebehoud.
In dit onderzoek is de theorie over wendbaarheid (Van Parreren, 1974; Dekker, 1993) verder vormgegeven door deze onder te verdelen in toepasbaarheid en verschillende niveaus van herzienbaarheid van een begrip. Een innovatieve, fenomenologische aanpak is ontworpen voor het ontwikkelen van het begrip van energiebehoud in studenten. Deze aanpak combineert geleide herontdekking met het gebruik van authentieke handelingspraktijken. Het biedt een manier om abstracte begrippen te ontwikkelen in studenten binnen authentieke handelingspraktijken. Eigenschappen die bijdragen aan de ontwikkeling van zulke begrippen zijn beschreven. In het uitproberen van de lessenserie is een principebewijs gegeven dat het voor studenten mogelijk is om een wendbaar begrip van energie te ontwikkelen binnen een dergelijke aanpak.
