Integratie van informatica-onderdelen in het natuurkunde onderwys op bovenbouw havo en vwo

Integratie van informatica-onderdelen in het natuurkunde onderwys op bovenbouw havo en vwo

C . de Beurs, A . L . E l l e r m e i j e r en R . H e i j e l e r D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e

U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m

Summary

In this article we describe a study on the design of a course in which aspects of information technology are integrated in the physics curriculum of the upper level in secondary schools (havo/vwo) in the Netherlands. The main purpose of our study was to obtain a consensus of opinion between people involved in physics education about possible objectives, contents and con- texts. As a result of this study we developed blue-prints for a course 'Process Automation ' (age 16) and a course 'Computer Applications in Physics' (age 17/18). We will present both the outline and the results of our study.

1. Inleiding

T e c h n i e k speelt een b e l a n g r i j k e r o l i n de maatschappij; met name geldt dat voor de informatietechniek. In onze c o m p l e x e s a m e n l e v i n g r a k e n mensen en h u n organisaties meer en meer a f h a n k e l i j k v a n de opslag, de v e r w e r k i n g en het transport v a n grote hoeveelheden gegevens. N i e t alleen i n industrie en w e t e n - schap, maar ook i n huishoudens en de directe w o o n o m g e v i n g v a n elke staatsburger d r i n g e n de p r o d u k t e n v a n de i n f o r m a t i e t e c h - nologie steeds verder o p . D e opvatting dat ook i n het algemeen v o r m e n d o n d e r w i j s aan deze o n t w i k k e l i n g e n a a n d a c h t moet w o r d e n besteed is i n m i d d e l s gemeengoed geworden.

D e a f d e l i n g D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e v a n de U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m is sinds 1982 actief op het terrein v a n geautomati- seerd meten en besturen. E r v a r i n g met het c o m p u t e r g e b r u i k i n het n a t u u r k u n d i g p r a c t i c u m riep na enige t i j d de vraag op o f w e l l i c h t ook aandacht z o u moeten w o r d e n besteed aan b a s i s p r i n - cipes v a n geautomatiseerd meten en regelen i n het b o v e n b o u w n a t u u r k u n d e p r o g r a m m a . D i t leidde er vervolgens toe dat i n 1984

een o n d e r z o e k w e r d gestart naar m o g e l i j k e leerdoelen op het g e b i e d van m i c r o - e l e k t r o n i c a en computerondersteund meten.

O n d e r i n v l o e d van het i n f o r m a t i c a - s t i m u l e r i n g s b e l e i d v a n de o v e r h e i d zou later de a a n v a n k e l i j k e vraagstelling w o r d e n v e r - b r e e d tot m o g e l i j k e inpassing v a n i n f o r m a t i c a - a s p e c t e n i n het n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s .

D e a a n z e t h i e r t o e w e r d gegeven i n de n o t a ' A a n v u l l e n d B e l e i d s k a d e r ' ( P S O I - r e e k s nr. 12, 1986), w a a r i n de o o r s p r o n - k e l i j k e l i j n v a n de i n t r o d u c t i e v a n i n f o r m a t i c a als een apart e i n d e x a m e n v a k i n het o n d e r w i j s w e r d verlaten. M e n k w a m i n de genoemde nota (blz. 21) onder andere tot de volgende conclusie:

' E l e m e n t e n van informatietechnologie z u l l e n i n elk geval moeten w o r d e n opgenomen i n de eindexamenprogramma's v o o r de v a k k e n w i s k u n d e A , natuurkunde en "bedrijfseconomie", t e r w i j l verder d i t aspect de aandacht heeft i n de o n t w i k k e l i n g v a n het e x - perimentele e i n d e x a m e n v a k maatschappijleer'.

In d i t kader en op basis van het genoemde onderzoek w o r d t sinds maart 1987 gewerkt aan de o n t w i k k e l i n g v a n v o o r b e e l d - lesmateriaal, eerst b i n n e n het I T N - 2 project (project I n f o r m a t i e - technologie Toegepast i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s ) en m o m e n - teel b i n n e n P R I N T - k a d e r s . D e z e o n t w i k k e l i n g k w a m i n een s t r o o m v e r s n e l l i n g door een verzoek van de staatssecretaris ( a p r i l

1987) aan de W E N o m een onderdeel ' F y s i s c h e I n f o r m a t i c a ' op te nemen i n het nieuwe e i n d e x a m e n p r o g r a m m a v o o r havo en v w o .

In d i t a r t i k e l bespreken we de opzet en de u i t k o m s t e n van het d o e l s t e l l i n g e n o n d e r z o e k dat ook ten grondslag lag aan de u i t e i n d e l i j k e leerstoflijst die door de W e r k g r o e p E x a m e n p r o g r a m - ma's N a t u u r k u n d e (de W E N ) is voorgesteld.

H e t h i e r n a te bespreken onderzoek w e r d b e g i n 1987 afge- sloten. D e u i t k o m s t e n v a n een e v a l u a t i e - o n d e r z o e k dat gericht was op de e r v a r i n g e n met een eerste versie voorbeeldlesmateriaal v o o r klas 4 havo en klas 4 v w o z u l l e n later w o r d e n g e p u b l i - ceerd.

2 . De onderzoeksopzet

D e centrale onderzoeksvraag was: w e l k e relevante elementen van de moderne informatietechnologie (IT) d i e n e n te w o r d e n g e ï n t e - greerd i n het N a t u u r k u n d e p r o g r a m m a v o o r de b o v e n b o u w h a v o / - v w o .

U i t e r a a r d is deze vraag niet op basis v a n een louter i n h o u d e - l i j k e analyse van het leerstofgebied te beantwoorden. U i t w e r k i n g

van de vraagstelling vooronderstelt o p een gegeven moment een keuze en de l e g i t i m e r i n g v a n i n h o u d e n o p basis v a n maatschap- p e l i j k e relevantie en het belang v a n het o n d e r w e r p v a n u i t de n a t u u r k u n d e als v a k d i s c i p l i n e . H o o f d d o e l was d a a r o m te k o m e n tot een consensus onder deskundigen omtrent de i n h o u d v a n een d e e l - c u r r i c u l u m w a a r i n relevante elementen v a n I T aan de orde k o m e n . O o r s p r o n k e l i j k w e r d daarbij gedacht aan een lessenserie met een o m v a n g v a n ongeveer 15 lessen.

E e n p r a k t i s c h probleem b i j de v a l i d e r i n g v a n gemaakte k e u - zen was dat w e i n i g deskundigen te v i n d e n z i j n met zowel k e n - nis e r v a r i n g op het gebied v a n de experimentele fysica en de toegepaste i n f o r m a t i c a als e r v a r i n g met het o n d e r w i j s aan de doelgroep ( h a v o / v w o - l e e r l i n g e n ) . M e t het oog hierop hebben we gekozen voor een gefaseerde aanpak, w a a r b i j de consultatie v a n i n h o u d s d e s k u n d i g e n v ó ó r a f diende te gaan aan de consultatie v a n de o n d e r w i j s d e s k u n d i g e n . H i e r d o o r was het m o g e l i j k de laatste groep te c o n f r o n t e r e n met v r i j c o n c r e e t u i t g e w e r k t e alternieven, met daarbij de i n h o u d e l i j k e analyse v a n het leer- stofgebied en een v e r a n t w o o r d i n g v a n de gemaakte keuzen. B i j de p l a n n i n g v a n het onderzoek is gekozen voor een opzet i n v i e r fasen. We bespreken hierna eerst kort de gevolgde o n d e r - zoeksopzet o m vervolgens verslag te doen v a n de belangrijkste o n t w i k k e l i n g e n per fase.

I. Oriëntatie op mogelijke inhouden en leerdoelen.

D e o r i ë n t a t i e f a s e geeft een eerste afbakening v a n het leerstof- gebied door de beantwoording v a n vragen als:

- Wat verstaat we onder informatietechnologie? E e n b e g r i p s a f b a - k e n i n g .

- Wat z i j n de m o g e l i j k e r a a k v l a k k e n tussen I T en N a t u u r k u n d e ? - O p w e l k e w i j z e n w o r d e n op d i t moment aspecten v a n I T i n

het n a t u u r k u n d e c u r r i c u l u m vormgegeven?

A n t w o o r d o p deze vragen w o r d t gevonden door: het bestuderen v a n l i t e r a t u u r en het verzamelen v a n relevant lesmateriaal u i t het nederlandse n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s en buitenlands lesmate- r i a a l .

II. Inhoudelijke analyse van het leerstofgebied.

N a een eerste afbakening tijdens de o r i ë n t a t i e f a s e is een nadere o r d e n i n g en analyse nodig, o m een samenhangend beeld te v e r - k r i j g e n v a n de m o g e l i j k e i n h o u d e n v a n het nieuwe leerstofge-

b i e d . E e n k e u z e v a n gewenste l e e r i n h o u d e n k a n v e r v o l g e n s p l a a t s v i n d e n o p g r o n d v a n v e r o n d e r s t e l d e m a a t s c h a p p e l i j k e r e l e v a n t i e en relevantie voor het vak n a t u u r k u n d e . V a l i d e r i n g v a n de g e m a a k t e k e u z e n is m o g e l i j k d o o r c o n s u l t a t i e v a n i n h o u d s d e s k u n d i g e n . H e t gaat h i e r b i j vooral o m een toetsing v a n de v o l l e d i g h e i d en de relevantie v a n de analyse, o o k met het oog op de te verwachten o n t w i k k e l i n g e n i n de komende 10 a 20 jaar. D i t leidt tot de volgende deelfasering.

1. H e t m a k e n v a n een i n h o u d e l i j k e analyse v a n het leerstof- gebied.

2. E e n eerste afbakening v a n het leerstofgebied.

3. V a l i d e r i n g v a n het ontwerp en de v o o r l o p i g e k e u z e n door automatiseringsdeskundigen. Z o n o d i g b i j s t e l l i n g v a n ontwerp en keuzen.

III. Consultatie van onderwijsdeskundigen.

Waar i n de fasen I en II de nadruk ligt op het verzamelen en ordenen v a n i n h o u d e n , dienen i n deze fase d e f i n i t i e v e keuzen gemaakt te w o r d e n . H e t gaat h i e r b i j ondermeer o m de vaststel- l i n g v a n globale leerdoelen en de keuze v a n geschikte contexten.

O m e e n v e r a n t w o o r d e a f w e g i n g d o o r o n d e r w i j s d e s k u n d i g e n m o g e l i j k te m a k e n w o r d t een d i s c u s s i e s t u k opgesteld w a a r i n alternatieve c u r r i c u l u m v o o r s t e l l e n z i j n u i t g e w e r k t en k e u z e m o g e - l i j k h e d e n g e m o t i v e e r d w o r d e n . Consultatie v a n o n d e r w i j s d e s - k u n d i g e n dient tenslotte gegevens op te leveren ten behoeve v a n het d e f i n i t i e v e c u r r i c u l u m o n t w e r p . D i t l e i d t tot de volgende deelfasering.

1. F o r m u l e r i n g v a n globale doelstellingen en een keuze v a n c o n - texten.

2. U i t w e r k i n g v a n e n k e l e c u r r i c u l u m v o o r s t e l l e n op basis v a n gemaakte keuzen.

3. H e t v o o r l e g g e n v a n v o o r s t e l l e n en k e u z e n aan een brede g r o e p v a n p e r s o n e n u i t h e t ( n a t u u r k u n d e ) o n d e r w i j s v e l d : leraren natuurkunde h a v o / v w o , v a k d i d a c t i c i , leden v a n n a - t u u r k u n d e commissies en docenten v a n v e r v o l g o p l e i d i n g e n .

IV. Ontwerp en legitimering van een blauwdruk.

O p basis v a n de gegevens u i t de voorgaande fasen w o r d t t e n - slotte een d e f i n i t i e v e b l a u w d r u k voor een lessenserie o n t w o r p e n . D e l e g i t i m e r i n g moet verkregen w o r d e n door d i t e i n d p r o d u k t voor te leggen aan de i n fase III geraadpleegde o n d e r w i j s d e s -

k u n d i g e n en - i n verband met de i n f o r m a t i c a - a s p e c t e n - aan i n f o r m a t i c a d e s k u n d i g e n u i t het o n d e r w i j s v e l d . Z o n o d i g w o r d t de b l a u w d r u k aan het e i n d v a n deze fase nog bijgesteld.

3 . De ontwikkelingen per fase

Fase I: Oriëntatie op mogelijke inhouden en leerdoelen

In deze fase hebben we getracht begrippen te verhelderen en een beeld te k r i j g e n v a n de r a a k v l a k k e n v a n de i n f o r m a t i e t e c h - n o l o g i e met de n a t u u r k u n d e . O o k is g e k e k e n naar r e l e v a n t lesmateriaal i n N e d e r l a n d en i n het b u i t e n l a n d . We geven een samenvatting v a n onze b e v i n d i n g e n .

a. Informatica - Informatietechnologie

D e volgende d e f i n i t i e v a n Informatica w o r d t gegeven door het N N I ( N e d e r l a n d s N o r m a l i s a t i e Instituut): ' H e t v a k g e b i e d dat zowel het verschijnsel i n f o r m a t i e bestudeert i n relatie tot i n f o r - matiesystemen als het v e r w e r k e n , overdragen en g e b r u i k e n v a n i n f o r m a t i e ; i n h o o f d z a a k , maar niet n o o d z a k e l i j k e r w i j z e , met computers en telecommunicatiesystemen'.

E e n b e l a n g r i j k aandachtsgebied voor de i n f o r m a t i c a is dus de verwerking, de overdracht en het gebruik van i n f o r m a t i e i n i n - f o r m a t i e s y s t e m e n . O n d e r i n f o r m a t i e s y s t e e m w o r d t veelal een (abstracte) eenheid v a n gegevensverwerking verstaan, waarvan de functies k u n n e n w o r d e n weergegeven met het schema v a n f i g u u r 1 ( W i n k l e r P r i n s , 1977). V o l g e n s de b e s c h r i j v i n g i n W i n k l e r P r i n s bestaat 'het informatiesysteem u i t een v e r z a m e l i n g m i n o f meer permanente gegevens (ervaring) plus de functies d i e w a a r n e m i n - gen k u n n e n omzetten i n boodschappen en i n f o r m a t i e ' .

G e g e v e n s v e r w e r k i n g k a n , maar behoeft niet met b e h u l p v a n computers te geschieden. D e uitvoer v a n een informatiesysteem k a n b o o d s c h a p p e n ( d . m . v . s i g n a l e n ) bevatten voor technische objecten ( b i j v . b i j procesbesturing), maar ook i n f o r m a t i e bestemd voor de mens ( b i j v . b i j meetsystemen). H o e w e l het begrip i n f o r - matiesysteem naar een groot aantal toepassingsvelden ( b i j v . ook documentatie-informatiesystemen) v e r w i j s t , z i j n voor onze v r a a g - stelling v o o r a l informatiesystemen i n technische en n a t u u r w e t e n - s c h a p p e l i j k e toepassingen v a n belang. A l s dragers v a n d i t soort informatiesystemen k u n n e n d a n een breed scala v a n automatische meet- en regelsystemen genoemd w o r d e n . I n d i e n we technische h u l p m i d d e l e n en technieken aanduiden d i e g e b r u i k t w o r d e n b i j informatiesystemen k o m e n we op het terrein v a n de i n f o r m a t i e

F i g u u r 1: O p b o u w v a n het informatiesysteem

O P B O U W VAN HET INFORMATIESYSTEEM

^ distribueren

V vergeten

technologie. O n d e r (nieuwe) informatietechnologie (IT) z u l l e n we h i e r n a , aansluitend b i j de N N I - d e f i n i t i e v o o r i n f o r m a t i c a , v e r - staan ( P l o m p , 1985): "Het deelgebied v a n de toegepaste i n f o r - m a t i c a dat z i c h bezig houdt met de kennis over (het toepassen van) methoden, technieken en technische h u l p m i d d e l e n v o o r de v e r w e r k i n g , de overdracht en het g e b r u i k v a n informatie".

H e t gaat h i e r b i j i n feite o m alles wat samenhangt met m e t h o - den en m i d d e l e n d i e z i j n ontstaan door o n t w i k k e l i n g e n en toe- passingen u i t verschillende vakgebieden (o.a. m i c r o - e l e k t r o n i c a , o p t i c a , c y b e r n e t i c a , i n f o r m a t i c a en d e r g e l i j k e ) . B i j het zoeken naar relevante elementen v a n I T d i e voor integratie i n aanmer- k i n g k o m e n , l i j k e n v o o r a l de volgende twee toepassingsvelden v a n b e l a n g : a u t o m a t i s e r i n g en c o m m u n i c a t i e t e c h n i e k . V a n u i t i n f o r m a t i c a - i n v a l s h o e k zal de aandacht v o o r a l gericht z i j n op methoden en technieken b i j het v e r w e r v e n , vastleggen, v e r w e r - k e n en v e r s t r e k k e n / o v e r d r a g e n v a n gegevens. A u t o m a t i s e r i n g is het overdragen v a n taken v a n de mens (waarnemen, gegevens- v e r w e r k i n g en handelen) aan technische objecten en berust op mechanisatie en automatische gegevensverwerking. C o m m u n i c a t i e b e t e k e n t volgens v a n D a l e ( u i t g a v e 1984): ( g e l e g e n h e i d tot) u i t w i s s e l i n g v a n gedachten. V i a communicatiesystemen w o r d t de overdracht van gegevens verzorgt.

b. Raakvlakken tussen IT en natuurkunde

D e vraag naar de r a a k v l a k k e n tussen n a t u u r k u n d e en I T is i n p r i n c i p e op te splitsen i n twee deelvragen.

1. Welke deelgebieden v a n de natuurkunde hebben de o n t w i k k e - l i n g e n op het gebied v a n informatietechnologie i n b e l a n g r i j k e mate b e ï n v l o e d ?

2. H o e h e b b e n i n f o r m a t i e - t e c h n o l o g i s c h e o n t w i k k e l i n g e n het natuurwetenschappelijk onderzoek b e ï n v l o e d ?

D e i n v l o e d v a n de n a t u u r k u n d e o p de i n f o r m a t i e t e c h n o l o g i e w o r d t met name gekenmerkt door de vooruitgang op het gebied v a n de halfgeleidertechnologie, wat ondermeer geresulteerd heeft i n de centrale betekenis v a n de m i c r o - e l e k t r o n i c a voor de a u t o - matisering en voor de o n t w i k k e l i n g v a n communicatiesystemen.

We d e n k e n h i e r b i j v o o r a l aan de opkomst v a n de transistor, I C ' s , maar b i j v o o r b e e l d ook aan de toepassing v a n de halfgeleiderlaser i n de glasvezeltechniek. B i j toepassingen v a n I T neemt de elek- tronica op d i t moment een centrale plaats i n vanwege het feit dat gegevensverwerking i n hoofdzaak plaats v i n d t door m i d d e l van elektronische componenten. H i e r m e e samenhangend fungeren e l e k t r i s c h e s i g n a l e n tot n o g toe als v o o r n a a m s t e i n f o r m a t i e - dragers i n automatische meet- en regelsystemen en i n c o m m u n i - c a t i e s y s t e m e n . In de toekomst z a l w e l l i c h t een v e r s c h u i v i n g plaats v i n d e n i n de r i c h t i n g v a n optische technieken. We c o n c l u - d e r e n dat de toepassing v a n e l e k t r o n i c a (meer d a n optica) i n automatische systemen de belangrijkste bijdrage v o r m t v a n de n a t u u r k u n d e aan de o n t w i k k e l i n g e n op het terrein v a n de i n f o r - matietechnologie.

D e b e s c h i k b a a r h e i d v a n gegevensverwerkende apparatuur en b i j b e h o r e n d e software-instrumenten heeft de p r a k t i j k v a n het n a t u u r w e t e n s c h a p p e l i j k o n d e r z o e k beslissend v e r a n d e r d . D o o r g e b r u i k m a k i n g v a n h a r d w a r e - en software-instrumenten - als dragers v a n i n f o r m a t i e s y s t e m e n - b i j natuurwetenschappelijk onderzoek z i j n experimenten m o g e l i j k die voorheen o n d o e n l i j k w a r e n ( b i j v . het d e e l t j e s o n d e r z o e k i n C E R N ) , maar dat niet a l l e e n . E r k o m e n steeds betere m o g e l i j k h e d e n ter b e s c h i k k i n g voor n u m e r i e k experimenteren met m o d e l l e n , v o o r toetsing v a n m o d e l u i t k o m s t e n aan experimentele gegevens en v o o r h e r l e i d i n g v a n i n f o r m a t i e i n voor de onderzoeker b r u i k b a r e v o r m . Deze h u l p m i d d e l e n zorgen ervoor dat m e n b i j wetenschappelijk o n d e r - zoek i n allerlei o p z i c h t e n trefzekerder, sneller en g e m a k k e l i j k e r te w e r k k a n gaan ( R a d e m a k e r , 1982).

In het rapport ' N a t u u r k u n d e i n N e d e r l a n d , o v e r z i c h t en v o o r u i t - z i c h t ' v a n de V e r k e n n i n g s C o m m i s s i e N a t u u r k u n d i g O n d e r z o e k ( V o l g e r , 1984) w o r d t n a t u u r k u n d i g e i n f o r m a t i c a , naast de f y s i c a van instrumenten en theoretische n a t u u r k u n d e , é é n v a n de d r i e d w a r s v e r b i n d i n g e n o v e r de v e r s c h i l l e n d e subdisciplines i n de n a t u u r k u n d e genoemd. V o l g e n s de commissie is n a t u u r k u n d i g e i n f o r m a t i c a een essentieel nieuwe tak i n de n a t u u r k u n d e , w e l k e sterk moet w o r d e n gestimuleerd.

S a m e n v a t t e n d o n d e r s c h e i d e n we twee soorten toepassingen van computers b i j natuurwetenschappelijk onderzoek.

1. D e on-line (aan het experiment gekoppelde) toepassing v a n de c o m p u t e r b i j fysische experimenten. E e n b e l a n g r i j k deelgebied v a n de o n - l i n e toepassingen is de z o g e n a a m d e r e a l - t i m e p r o c e s s i n g , w a a r b i j t i j d e n s het meten de meetgegevens al voor een deel v e r w e r k t w o r d e n .

2. D e off-line (niet gekoppelde) toepassing v a n de c o m p u t e r b i j het v e r w e r k e n v a n gegevens en het w e r k e n met m o d e l l e n ( H a m a n n , 1983). Deze laatste a c t i v i t e i t e n w o r d e n w e l a a n - g e d u i d met de term c o m p u t a t i o n a l physics.

N a deze analyse v a n de r a a k v l a k k e n geven we een korte b e - s c h r i j v i n g v a n relevante o n t w i k k e l i n g e n i n b i n n e n - en b u i t e n - l a n d , w a a r gepoogd is elementen van I T te integreren i n het n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s . Naast literatuurstudie z i j n tekstboeken voor leerlingen bestudeerd o m na te gaan w e l k e aspecten v a n I T d a a r i n aan de orde k o m e n .

c. Relevant lesmateriaal uit binnen- en buitenland

In de meeste Nederlandse natuurkundemethoden ( h a v o / v w o ) was (1984) nog niets opgenomen u i t bovengenoemd gebied. E e n u i t - z o n d e r i n g v o r m d e n de twee experimentele P L O N - t h e m a ' s " E l e k - tronica" voor 5 havo en " A u t o m a t i s e r i n g " voor 4 en 5 v w o . H e t P i o n - t h e m a E l e k t r o n i c a bestrijkt een gebied v a n toepassingen v a n elektronische schakelingen b i j c o m m u n i c a t i e en a u t o m a t i - s e r i n g . H e t b l e e k (de K l e r k , 1984) dat l e e r l i n g e n een grote interesse v e r t o n e n v o o r e l e k t r o n i c a - o n d e r w e r p e n en i n ieder geval b i j het havo een v o o r k e u r vertonen voor ' p r o e v e n d o e n ' en ' s c h a k e l i n g e n ' b o u w e n . In het v w o w e r d deze v o o r k e u r alleen b i j j o n g e n s geconstateerd. I n het v w o - t h e m a A u t o m a t i s e r i n g staat o o k de e l e k t r o n i c a centraal, maar hier k o m e n aspecten v a n g e g e v e n s v e r w e r v i n g en v e r w e r k i n g i n meet- en regelsystemen n a d r u k k e l i j k e r aan de orde d a n b i j het h a v o - t h e m a . O p v a l l e n d is

dat het t h e m a n a u w e l i j k s u i t g e w e r k t e voorbeelden bevat v a n c o m p u t e r g e b r u i k b i j automatische systemen ( H o g e n b i r k , 1987).

V o o r z o v e r i n het b u i t e n l a n d pogingen z i j n o n d e r n o m e n e l e - menten v a n I T te integreren i n de natuurkunde was de aandacht v o o r a l gericht op e l e k t r o n i c a . U i t e r a a r d werden i n verschillende l a n d e n computers plaatselijk ingezet b i j het n a t u u r k u n d e p r a c - t i c u m , maar het g i n g d a n veelal o m g e ï s o l e e r d e e x p e r i m e n t e n w a a r b i j v o o r a l de f y s i c a e n n i e t z o z e e r d e m e t h o d e v a n i n f o r m a t i e v e r w e r v i n g en - v e r w e r k i n g centraal stond. I n v e r s c h i l - l e n d e D u i t s e d e e l s t a t e n w e r d e n e l e k t r o n i s c h e s c h a k e l i n g e n ( o p a m p , transistor) b i j natuurkunde behandeld, echter meestal geheel los v a n contexten als automatisering o f c o m m u n i c a t i e . In het c u r r i c u l u m voor natuurkunde (Burger, 1984) v a n het Tnstitut f ü r d i e Padagogik der Naturwissenschaften ' ( I P N ) w e r d v o o r - g e s t e l d het o n d e r w e r p a n a l o g e en d i g i t a l e t e c h n i e k e n v o o r slechts een deel v a n de leerlingen (leerjaar 9 / 1 0 ) te reserveren (hobby, beroepsvoorbereiding) en voor alle leerlingen de a a n - dacht te r i c h t e n op de maatschappelijke gevolgen v a n de t e c h - nologische o n t w i k k e l i n g .

D e belangrijkste o n t w i k k e l i n g e n met een d u i d e l i j k T T - o o g - m e r k ' speelden z i c h i n E n g e l a n d af. Daar maakte e l e k t r o n i c a a l langere t i j d deel u i t v a n het n a t u u r k u n d e p r o g r a m m a b i n n e n de verschillende ' e x a m i n a t i o n boards'. D e vraag o f e l e k t r o n i c a b i j n a t u u r k u n d e , d a n w e l b i j het vak techniek ( C D T - C r a f t , D e s i g n a n d T e c h n o l o g y ) t h u i s h o o r t , is h i e r lange t i j d (sinds 1980) o n d e r w e r p v a n discussie geweest (Wester, 1986; B e v i s , e.a., 1985).

E e n neveneffect v a n deze discussie was het ontstaan v a n een s t r o m i n g d i e v o o r een systeembenadering (eerst het complete systeem, d a n de samenstellende onderdelen) pleitte b i j de b e h a n - d e l i n g v a n e l e k t r o n i c a (Geddes, 1984). E e n dergelijke benadering z o u beter passen b i j korte inleidende cursussen, motiverender v o o r l e e r l i n g e n z i j n en een u i t s t e k e n d startpunt bieden voor verdere v e r d i e p i n g . D e belangrijkste impuls voor l e e r p l a n o n t w i k - k e l i n g op het gebied van m i c r o - e l e k t r o n i c a en i n f o r m a t i e t e c h - nologie k w a m tenslotte v a n het M E P - p r o j e c t (het M i c r o - e l e c t r o - nics E d u c a t i o n P r o g r a m m e , een stimuleringsproject). D e h o o f d - d o e l s t e l l i n g v a n d i t p r o j e c t was: "to h e l p educators b e c o m e better able to prepare c h i l d r e n f o r life i n a society i n w h i c h d e v i c e s a n d systems based o n m i c r o e l e c t r o n i c s are b e c o m i n g c o m m o n p l a c e a n d p e r v a s i v e " ( B e v i s & Page, 1986a.). U i t d i t p r o j e c t k w a m e n de onderwijspakketten genaamd " M i c r o - e l e c -

tronies F o r A l l ( M F A ) " en het v e r v o l g h i e r o p " C o n t r o l Pathways"

voort.

H e t v e r n i e u w e n d e v a n deze lessenseries is de keuze v o o r een d u i d e l i j k e c o n t e x t (elektronische i n f o r m a t i e v e r w e r k i n g ) en de systeembenadering. D e aandacht is m i n d e r gericht op e l e k t r o - nische schakeltechniek e n meer o p het probleemgericht o p b o u w e n v a n s y s t e m e n u i t deelsystemen met een bekende functie. H e t M F A - p a k k e t beperkt z i c h tot de digitale techniek; met b e h u l p v a n specifiek p r a c t i c u m m a t e r i a a l i n de v o r m v a n modules met elektronische componenten w o r d e n simpele i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen g e b o u w d . H e t M F A - m a t e r i a a l is bedoeld voor l e e r l i n g e n v a n 11-13 jaar, t e r w i j l C o n t r o l Pathways m i k t op de l e e f t i j d s - g r o e p v a n 1 3 - 1 8 j a a r . C o n t r o l P a t h w a y s r i c h t z i c h meer o p a l g e m e n e c o n c e p t e n v a n s t u r e n e n r e g e l e n ( B e v i s & P a g e , 1986b.).

d. Conclusies van de eerste fase

B i j de analyse v a n r a a k v l a k k e n en ook b i j het (beperkte) o n d e r - zoek naar relevante o n t w i k k e l i n g e n i n het o n d e r w i j s i n b i n n e n - en b u i t e n l a n d k o m t de e l e k t r o n i c a naar voren als belangrijkste aandachtsgebied v o o r integratie v a n natuurkunde en I T . Z o w e l gezien v a n u i t de betekenis voor i n f o r m a t i e - t e c h n o l o g i e zelf, als v a n u i t het belang v a n i n f o r m a t i e t e c h n i e k b i j n a t u u r k u n d i g o n - derzoek (instrumentele elektronica) is e x p l i c i e t e aandacht v o o r e l e k t r o n i c a te m o t i v e r e n . B i j a u t o m a t i s c h e m e e t - , s t u u r - en regelsystemen e n o o k b i j veel communicatiesystemen z i j n e l e k - trische signalen de belangrijkste dragers v a n gegevens e n w o r - den elektronische componenten g e b r u i k t voor signaalaanpassing ( f i l t e r e n , versterken, etc.) en gegevensverwerking (digitale t e c h - nieken). A a n d a c h t voor de elektronische bouwstenen z a l l e e r l i n - gen helpen de o p b o u w e n de w e r k i n g v a n IT-toepassingen te b e g r i j p e n e n meer i n het a l g e m e e n i n z i c h t te v e r w e r v e n i n b e l a n g r i j k e informaticaconcepten d i e aan informatiesystemen ten g r o n d s l a g l i g g e n . Daarnaast is het v a n u i t de o n t w i k k e l i n g e n b i n n e n de natuurkunde als d i s c i p l i n e v a n belang dat l e e r l i n g e n een b e e l d k r i j g e n v a n m o d e r n e onderzoeksmethoden. D a a r o m z u l l e n toepassingen v a n c o m p u t e r - o n d e r s t e u n d meten en c o m p u - tational physics i n het c u r r i c u l u m g e ï n t e g r e e r d moeten w o r d e n . V a n u i t deze beschouwingen k w a m e n we tot de volgende a f b a - k e n i n g v a n twee gebieden voor de i n v o e r i n g v a n I T - a s p e c t e n i n het v a k natuurkunde i n de b o v e n b o u w v a n h a v o / v w o .

Leerstofgebied 1. E x p l i c i e t e aandacht voor de e l e k t r o n i c a als bouwsteen v a n IT-toepassingen b i j :

- m e e t - , s t u u r - en regelsystemen (technische automatisering);

- c o m m u n i c a t i e s y s t e m e n

Leerstofgebied 2. D o o r het c u r r i c u l u m heen aandacht v o o r toe- passingen v a n c o m p u t e r - o n d e r s t e u n d meten en o f f - l i n e c o m p u t e r - g e b r u i k .

In deze opzet z o u de i n v u l l i n g v a n gebied 2 slechts een geringe a a n p a s s i n g v a n het e x a m e n p r o g r a m m a v e r e i s e n e n v o o r a l de o n t w i k k e l i n g v a n geschikte hardware- en software-instrumenten voor g e b r u i k i n de klas n o d i g m a k e n . E e n nadere u i t w e r k i n g v a n leerstofgebied 1 maakte een analyse v a n het e l e k t r o n i c a - g e b i e d naar m o g e l i j k e i n h o u d e n n o o d z a k e l i j k .

Fase II: Inhoudelijke analyse van leerstofgebied 1

In deze fase p r o b e e r d e n we een a n t w o o r d te k r i j g e n op de volgende vragen.

1. Welke e l e k t r o n i c a - i n h o u d e n z i j n v a n belang b i j de b e s c h r i j - v i n g v a n m e e t - , s t u u r - en regelsystemen en b i j de b e s c h r i j - v i n g v a n communicatiesystemen?

2. Welk n i v e a u v a n behandeling is het meest geschikt voor het v e r w e r v e n v a n i n z i c h t i n de o p b o u w e n de w e r k i n g v a n i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen.

H i e r o n d e r volgt een samenvatting v a n de analyse en de b e l a n g - rijkste conclusies.

V a n de i n h o u d e n d i e samenhangen met leerstofgebied 1 is een c l a s s i f i c a t i e g e m a a k t (zie f i g . 2). D e genoemde c o m p o n e n t e n , s y s t e m e n e n b e g r i p p e n d i e n e n ter a a n d u i d i n g v a n g e b i e d e n , v o l l e d i g h e i d w o r d t niet gepretendeerd. D e i n d e l i n g v a n f i g u u r 2 r e p r e s e n t e e r t de v e r s c h i l l e n d e n i v e a u s waarop i n f o r m a t i e v e r - w e r k e n d e systemen beschreven k u n n e n w o r d e n . G e o r d e n d naar de mate v a n samenvoeging k u n n e n d r i e hoofdniveaus onderscheiden w o r d e n .

A . H e t componentenniveau.

E e n b e s c h r i j v i n g v a n de w e r k i n g v a n de elektronische basis- componenten (bijv: diode, transistor, condensator) v a n u i t de t h e o r e t i s c h e f y s i c a (vaste s t o f f y s i c a , theoretische e l e k t r i - citeitsleer).

B . H e t m o d u l e n n i v e a u .

E e n b e s c h r i j v i n g v a n de w e r k i n g v a n m o d u l e n ( b i j v : g e h e u - gen, teller, poortschakeling) o p g e b o u w d u i t basiscomponenten.

c o>

•o 3 x: O

c c

ca >

ca

ca

U

opbouw van systemen u i t modules

componenten t r a f o sator b i p o - [

l a i r | FET NTC LDR

ultra-sound motor lamp luidspreker e l e m e n t a i r e

schakelingen

g e l i j k r i c h t e r t r a n s i s t o r

schakelaar

geschakeld a l s

s i g n a a l v e r s t e r k e r NTC LDR

ultra-sound motor lamp luidspreker

werking van modules

i n termen

van componenten

( g e s t a b i l i s e e r d e ) voeding

amplitude detector

poorten f l i p - f l o p adders geheugens t e l l e r s

op-amp power-amp S & H ADC analoge MPX

samenstel van sensoren en/of actuatoren, bv.

. v e r k e e r s l i c h t .bestuurbare arm

eigenschappen en mogelijkhe- den van syste- men

i d a t a - a c q u i s i t i e systeemI j r e g e l systeem ]

^micro-computer i

_ — - - -i Ifrequentiegedrag, 1regelsneiheid 1

^nauwkeurigheid J

radio-ontvanger telefoonnet

bandbreedte informatiedichtheid

(vaste stof,el.magnetisme)

gebied B:

•elektrotechnisch

gebied C : engineering, problem s o l v i n g

experimenteel fysisch

3

C . H e t systeemniveau.

E e n b e s c h r i j v i n g van de w e r k i n g en eigenschappen v a n a u t o - matische systemen (meet- s t u u r - en regelsystemen) o p g e b o u w d uit m o d u l e n .

D e v e r s c h i l l e n d e n i v e a u s s l u i t e n op e l k a a r aan d o o r d a t het o n d e r w e r p v a n b e s c h r i j v i n g v a n een lager n i v e a u steeds de b l a c k b o x is van het daarop volgend n i v e a u . O p k l i m m e n d k r i j g e n we steeds m i n d e r i n z i c h t i n de details van het systeem en steeds meer z i c h t op de vraag hoe onderdelen b i j d r a g e n tot de centrale functies van het systeem: het v e r w e r v e n , v e r w e r k e n , overdragen en g e b r u i k e n v a n i n f o r m a t i e .

E e n behandeling op n i v e a u A geeft het meeste i n z i c h t i n de fysische principes die ten grondslag liggen aan toepassingen v a n I T . In het h u i d i g e n a t u u r k u n d e p r o g r a m m a is de behandeling v a n de w e r k i n g v a n een aantal componenten reeds opgenomen en de aandacht h i e r v o o r wordt i n het nieuwe W E N - p r o g r a m m a , ook los van het i n f o r m a t i c a b e l e i d , nog uitgebreid. In a n t w o o r d op vraag 2 aan het b e g i n van deze paragraaf constateren we echter dat een b e h a n d e l i n g op d i t n i v e a u geen f u n d a m e n t e l e i n z i c h t e n oplevert i n de o p b o u w en de w e r k i n g v a n i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen.

B e h a n d e l i n g e n op n i v e a u B k o m e n we onder andere tegen i n de genoemde P L O N - t h e m a ' s en i n veel duitse en engelse ( b i j v . N u f f i e l d ) natuurkundemethoden. D e b e s c h r i j v i n g op d i t n i v e a u heeft een sterk technisch karakter en is het best te k e n m e r k e n als elektrotechniek. D i t vakgebied past naar z i j n aard beter i n het beroepsonderwijs dan i n het algemeen v o r m e n d o n d e r w i j s . B o v e n d i e n gaan de o n t w i k k e l i n g e n op d i t gebied dermate snel dat kennis snel dreigt te verouderen. V a n u i t i n f o r m a t i c a - o o g p u n t draagt d i t soort kennis ook niet b i j tot i n z i c h t e n i n de w e r k i n g en de o p b o u w v a n i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen.

E e n behandeling op n i v e a u C z i j n we alleen tegengekomen b i j sommige M E P - p r o j e c t e n i n E n g e l a n d . H e t b e s c h r i j v i n g s n i v e a u C biedt naar haar aard de meeste m o g e l i j k h e d e n v o o r het o v e r - d r a g e n v a n b e l a n g r i j k e informaticaconcepten en sluit ook het beste aan b i j een behandeling van moderne meetmethoden (o.a.

data-aquisitiesystemen) i n de experimentele fysica. D e systeem- benadering w o r d t als vertrekpunt gekozen; uitgangspunt (Geddes, 1984) is het centrale doel waarvoor het systeem dient. V a n d a a r - u i t bepaalt m e n de n o o d z a k e l i j k e b o u w s t e n e n ( m o d u l e n ) ter v e r v u l l i n g v a n de functies i n het proces o m dat d o e l te realise-

ren. ' A f d a l i n g ' naar het niveau v a n elektronische s c h a k e l i n g e n is m o g e l i j k , maar niet n o o d z a k e l i j k o m te b e g r i j p e n op w e l k e w i j z e de onderdelen samenwerken o m de systeemdoelen te realiseren.

V o o r het o n d e r w i j s k a n speciaal p r a c t i c u m m a t e r i a a l - met de m o d u l e n als bouwstenen - w o r d e n o n t w i k k e l d met b e h u l p w a a r - van l e e r l i n g e n k u n n e n w o r d e n gestimuleerd elementair i n z i c h t te v e r w e r v e n i n de o p b o u w en de w e r k i n g v a n automatische syste- m e n . D e o n t w i k k e l i n g van b e l a n g r i j k e technische vaardigheden en probleemoplossingsvaardigheden (De V r i e s , 1988) k a n b e v o r - d e r d w o r d e n door het o n t w e r p e n , o p b o u w e n en testen v a n a u t o - matische systemen met behulp van h i e r o p toegesneden p r a c t i c u m - materiaal.

G e z i e n het bovenstaande hebben we een d u i d e l i j k e v o o r k e u r voor een b e h a n d e l i n g op n i v e a u C . We sluiten hiermee aan b i j een o n t w i k k e l i n g d i e , zoals h i e r v o o r is aangegeven, i n E n g e l a n d is ingezet; ten opzichte van de gevolgde benadering i n de P L O N - thema's betekent deze keuze een k o e r s w i j z i g i n g . E e n b e h a n d e l i n g op n i v e a u C biedt ook een geschikt kader voor de b e s p r e k i n g van software-instrumenten als functionele m o d u l e n v a n a u t o m a - t i s c h e s y s t e m e n . E e n b e l a n g r i j k concept als ' u i t w i s s e l b a a r h e i d van h a r d w a r e - en s o f t w a r e - i n s t r u m e n t e n ' k a n i n d i t kader aan de orde k o m e n .

E e n o v e r z i c h t s l i j s t ( f i g . 3) van relevante m o d u l e n is ontleend aan een f u n c t i o n e l e analyse (systeembenadering) v a n a u t o m a - tische systemen ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986).

Z o a l s eerder is aangegeven gaat het v o o r a l o m de functies van m o d u l e n en b i j v o o r b e e l d niet o m de preciese w e r k i n g v a n de elektronische s c h a k e l i n g e n . E e n en ander leidt tot het volgende o v e r z i c h t v a n de belangrijkste concepten.

V a n u i t de i n f o r m a t i c a .

- D e algemene o p b o u w v a n i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen (meet-, s t u u r - en regelsystemen).

- I n f o r m a t i e , gegevens en signalen; betekenis en v e r s c h i l l e n . - Representatie van gegevens.

- A n a l o g e versus digitale signalen.

- U i t w i s s e l b a a r h e i d van hardware en software b i j gegevensver- w e r k i n g .

- B e g r i p p e n uit de procesregeling: z w a k k e , sterke t e r u g k o p p e - l i n g , regelsnelheid.

F i g u u r 3: F u n c t i e s v a n v e r s c h i l l e n d e m o d u l e n i n automatische systemen

Functies: Modulen:

verwerving van gegevens:

(signaalaanpassing tb.v. verwerking)

sensoren

signaalconditioneringsschakelingen:

signaalversterkers (incl. verzwakken en levelshifting)

filters AD-omzetters verwerking van gegevens: hardware:

digitale bouwstenen: tellers, geheugens, logische schakelingen

bouwstenen van een microprocessor- systeem

software:

stuurtalen

software Lb.v. analyse van meet- gegevens

bestemming van de verwerkte gegevens.

(signaalaanpassing tb.v sturing)

voor de mens (meetsystemen):

Tools (hardware, software) voor opslag en representatie van meetgegevens voor technische objecten (stuur,- regelsyste- men):

DA-omzetters, vermogensversterkers actuatoren

V a n u i t de meettechniek.

- N a u w k e u r i g h e i d van^systemen

- F r e q u e n t i e g e d r a g

- S e n s o r k a r a k t e r i s t i e k e n

: resolutie b i j A D - o m z e t t i n g , s i g n a a l / r u i s v e r h o u d i n g

: traagheid v a n sensoren, s i g - n a a l v e r v o r m i n g b i j v e r s t e r - k i n g , i n v l o e d v a n b e m o n - s t e r f r e q u e n t i e b i j A D - o m - zetting.

: l i n e a r i t e i t , g e v o e l i g h e i d , b e - r e i k .

V o o r g a a n d e analyse geeft een o v e r z i c h t v a n de m o g e l i j k e i n - h o u d e n v a n I T d i e i n het n a t u u r k u n d e p r o g r a m m a k u n n e n w o r d e n ondergebracht. D e raadpleging v a n d e s k u n d i g e n h a d als b e l a n g - rijkste d o e l na te gaan o f onze analyse v o l l e d i g was. Z i j n v a n u i t de automatiseringspraktijk en vanuit de p r a k t i j k v a n het n a t u u r - wetenschappelijk onderzoek geen e s s e n t i ë l e k e n m e r k e n vergeten die v o o r integratie i n a a n m e r k i n g komen? O m d a t , o o k op g r o n d van literatuuronderzoek, niet w e r d verwacht dat onder de des- k u n d i g e n b e l a n g r i j k e v e r s c h i l l e n v a n i n z i c h t zouden bestaan over de v r a a g w e l k e p r a k t i j k c o n t e x t e n r e l e v a n t z i j n , is i n eerste instantie besloten tot een mondelinge consultatie v a n een r e l a - t i e f k l e i n aantal i n h o u d s d e s k u n d i g e n . We hebben twee d e s k u n - d i g e n met een experimenteel fysische achtergrond en é é n des- k u n d i g e op het t e r r e i n v a n de p r o c e s b e s t u r i n g g e r a a d p l e e g d ( H e i j e l e r , 1986). O p basis v a n de v o o r a f toegestuurde analyse en een k o r t e v r a g e n l i j s t is p e r deskundige een gesprek v a n o n - geveer twee u u r gevoerd. D e mondelinge consultaties gaven i n grote t r e k k e n een bevestiging v a n onze analyse.

- B i j een behandeling v a n toegepaste i n f o r m a t i c a i n de e x p e r i - mentele f y s i c a en i n de techniek is het b e l a n g r i j k u i t te gaan v a n e e n s y s t e e m g e o r i ë n t e e r d d e n k k a d e r (Wat is het d o e l ? W e l k e f u n c t i e s moeten daartoe w o r d e n v e r v u l d ? U i t w e l k e m o g e l i j k h e d e n k a n d a n w o r d e n gekozen? H o e is de gekozen m o g e l i j k h e i d technisch te realiseren?).

- D u i d e l i j k w e r d hoe automatisering op alle niveaus v a n een fysisch e x p e r i m e n t een allesbeheersende r o l speelt.

- E e n b e l a n g r i j k p r o b l e e m b i j m o d e r n fysisch onderzoek is de enorme hoeveelheid gegevens d i e tijdens het meetproces b e - s c h i k b a a r k o m e n . B i j de b e s c h r i j v i n g v a n m o d e r n e m e e t - methoden k a n daarom het o n d e r w e r p 'datareductie' niet gemist w o r d e n ; d i t z a l z e k e r i n het r i j t j e b e l a n g r i j k e c o n c e p t e n moeten w o r d e n opgenomen.

- H i e r m e e samenhangend w o r d t de toepassing v a n ' i n t e l l i g e n t e ' , zeer snelle gegevensverwerkende schakelingen (triggers) steeds b e l a n g r i j k e r .

D e r e a c t i e s g a v e n geen g r o n d voor- de v e r o n d e r s t e l l i n g dat consultatie v a n andere deskundigen nieuwe i n f o r m a t i e z o u k u n - nen opleveren. Besloten is daarom met deze ronde te volstaan.

Fase III: Consultatie van onderwijsdeskundigen.

In de derde fase v a n het onderzoek was de aandacht gericht op

een nadere v a s t s t e l l i n g v a n globale leerdoelen ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986) en de keuze v a n geschikte contexten. U i t e r a a r d stond deze fase niet los v a n de voorgaande analyse naar m o g e - l i j k e i n h o u d e n . D e o r i ë n t a t i e op de systeembenadering (niveau C ) was mede gemotiveerd vanuit informaticaleerdoelen en de d o e l - stelling leerlingen een beeld te geven v a n moderne meetmetho- den b i j experimenteel onderzoek. D e keuze v a n m o g e l i j k e c o n - texten lag v o o r een b elangr ijk deel vast door de b e v i n d i n g e n i n eerdere fasen v a n het onderzoek. H e t g i n g h i e r v o o r a l o m het b e r e i k e n v a n een consensus tussen o n d e r w i j s d e s k u n d i g e n omtrent i n h o u d en doelen en een verdere concretisering v a n het c u r r i c u - l u m o n t w e r p .

a. Discussiestuk

T e r v o o r b e r e i d i n g v a n het keuzeproces w e r d een discussiestuk 'Informatietechnologie i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s ' ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986) o p g e s t e l d . T e r w i l l e v a n een zo d u i d e l i j k m o g e l i j k e b e e l d v o r m i n g werden h i e r i n concrete b l a u w d r u k k e n , i n c l u s i e f leerstoflijsten, uitgewerkt voor drie alternatieve lessen- series ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986). E é n b l a u w d r u k w e r d u i t - g e w e r k t v a n u i t de c o n t e x t ' A u t o m a t i s e r i n g v a n processen i n d i v e r s e m a a t s c h a p p e l i j k e s e c t o r e n ' en een tweede b l a u w d r u k w e r d uitgewerkt vanuit de context ' L a b o r a t o r i u m automatisering'.

In het eerste g e v a l g i n g het o m toepassingen v a n I T u i t de d i r e c t e , m a a t s c h a p p e l i j k e o m g e v i n g v a n l e e r l i n g e n en i n het tweede geval o m toepassingen van I T b i j natuurwetenschappelijk onderzoek.

E e n contextkeuze bepaalt voor een b elan gr ijk deel de mate w a a r i n bepaalde leerdoelen en i n h o u d e n aan de orde k o m e n . E e n m i d d e n w e g z o u gevonden k u n n e n w o r d e n i n een systematische (context-arme) behandeling v a n de leerstof; deze benadering is w e l l i c h t m i n d e r m o t i v e r e n d maar laat o o k meer r u i m t e voor een e v e n w i c h t i g e en volledige behandeling v a n de o n d e r w e r p e n . O m deze redenen is o o k een b l a u w d r u k uitgewerkt d i e beoogde een systematische behandeling te geven v a n m o d u l e n d i e i n meet- en regelsituaties onderscheiden w o r d e n .

D i t discussiestuk w e r d , vergezeld v a n een vragenlijst, toege- stuurd aan 49 personen uit het o n d e r w i j s v e l d .

b. Selectie van respondenten

A l s v e r t e g e n w o o r d i g e r s v a n het o n d e r w i j s v e l d is gekozen u i t

v a k d i d a c t i c i , leden v a n natuurkundecommissies ( W E N , V A L O ) , docenten h a v o / v w o en o p l e i d e r s / d o c e n t e n v a n v e r v o l g o p l e i d i n g e n . B i j d e s e l e c t i e v a n r e s p o n d e n t e n is g e z o c h t naar v e r t e g e n - woordigers u i t d r i e groepen.

G r o e p A : V a k d i d a c t i c i en personen, d i e i n beleidsachtige c o m m i s - sies z i t t i n g hebben vanwege h u n bredere k i j k op het b o v e n b o u w n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s . Z i j behoren niet tot de d i r e c t u i t v o e r e n - d e n , zoals docenten.

G r o e p B : D o c e n t e n n a t u u r k u n d e , d i e lesgeven i n de b o v e n b o u w v a n het h a v o / v w o . U i t deze groep z i j n docenten gekozen w a a r - van w i j w i s t e n dat z i j enige a f f i n i t e i t tot het o n d e r w e r p v a n het discussiestuk hadden.

G r o e p C : O p l e i d e r s e n docenten v a n vervolgstudies, vanwege m o g e l i j k e eisen v a n v e r v o l g o p l e i d i n g e n aan het n a t u u r k u n d e p r o - g r a m m a .

U i t groep A werden 16 personen, u i t groep B 14 personen e n uit groep C 19 personen benaderd.

c. Respons

U i t e i n d e l i j k w e r d e n v i a de e n q u ê t e 26 personen geconsulteerd ( M u l d e r , 1986). B i j de groepen A en B was de respons goed (75%, resp. 71%), alleen i n groep C v i e l de respons tegen. E r k w a m e n slechts 5 v a n de 19 e n q u ê t e - f o r m u l i e r e n terug en twee b r i e v e n . M e d e gezien de reacties i n de twee b r i e v e n moet de oorzaak v e r m o e d e l i j k gezocht w o r d e n i n de o n b e k e n d h e i d met het h a v o / v w o n a t u u r k u n d e - c u r r i c u l u m . Overigens bleek u i t de e n q u ê t e - g e g e v e n s en u i t de later gehouden studiedag ( V e r s l a g v a n de studiedag, 1987) niet de wens o m v a n u i t de v e r v o l g o p l e i - d i n g e n i n h o u d e l i j k e eisen te stellen aan het n i e u w e deel v a n het p r o g r a m m a . Wel v e r w a c h t e n z i j dat leerlingen leren omgaan met de c o m p u t e r , e n i g i n z i c h t k r i j g e n i n de o p b o u w v a n een m e e t - systeem en dat de belangstelling v o o r fysische i n f o r m a t i c a w o r d t gewekt.

d. Resultaten van de enquête

V a n de d r i e alternatieve lessenseries w e r d de laatste (systema- tische behandeling) v r i j algemeen v e r w o r p e n en de andere twee o n g e v e e r i n g e l i j k mate ondersteund ( M u l d e r en E l l e r m e i j e r , 1986). D e aanhangers v a n "proces a u t o m a t i s e r i n g " k o z e n d i t v o o r n a m e l i j k vanwege het toepassingskarakter, de h e r k e n b a a r h e i d v o o r m e i s j e s , de a a n s l u i t i n g o p v e r v o l g o p l e i d i n g e n w a a r i n

n a t u u r k u n d e een toepassingsrol heeft, en de maatschappelijke r e - levantie.

D e " l a b o r a t o r i u m automatisering" w e r d g e k o z e n , omdat het goed aansluit b i j het doen v a n e x p e r i m e n t e n , het goed is i n te passen i n de h u i d i g e o n d e r w i j s s i t u a t i e , het een fundamentele aanpak kent, e n een mooie n a t u u r k u n d i g e i n h o u d heeft.

U i t de e n q u ê t e - g e g e v e n s k w a m verder naar voren:

- D e c e n t r a l e d o e l s t e l l i n g , relevante elementen v a n I T i n het n a t u u r k u n d e e i n d e x a m e n p r o g r a m m a v o o r h a v o / V w o te i n t e - greren, w e r d breed onderschreven.

- M e n was het eens met de keuze v o o r e l e k t r o n i c a b o v e n o p t i c a . - A l s I T - c o n t e x t w e r d automatisering v a n centraler betekenis

voor het v a k natuurkunde geacht d a n c o m m u n i c a t i e .

V o o r het ontwerp v a n de d e f i n i t i e v e b l a u w d r u k w a r e n , naast de e e r d e r b e s p r o k e n contextkeuze, de volgende e n q u ê t e - g e g e v e n s van belang.

- Toepassingen als c o m p u t e r - o n d e r s t e u n d meten b i j e x p e r i m e n t e n achtte m e n zeer belangrijk en de samenhang met de ( m i c r o ) - e l e k t r o n i c a en het geautomatiseerd meten en regelen w e r d g e - wenst gevonden.

- A a n d a c h t voor o f f - l i n e toepassingen vanuit de o n t w i k k e l i n g b i n n e n de natuurkunde als d i s c i p l i n e w e r d benadrukt (ook a l eerder door de automatiseringsdeskundigen). M e n w i l d e niet dat m o d e l l i n g en simulaties teveel naar de achtergrond zouden v e r d w i j n e n .

- A a n g e g e v e n w e r d dat het w e n s e l i j k z o u z i j n een opzet i n twee r o n d e n te maken: b i j v o o r b e e l d toepassingsgericht i n havo en 4 v w o en diepgaander i n 5 / 6 v w o .

Fase IV: Een blauwdruk voor twee lessenseries

D e reacties u i t de e n q u ê t e gaven een d u i d e l i j k e ondersteuning voor de keuzen b i n n e n het discussiestuk e n een v o o r k e u r voor i n v u l l i n g , volgens de varianten "proces automatisering" en "labo- r a t o r i u m automatisering". D e belangrijkste v e r s c h u i v i n g e n naar a a n l e i d i n g v a n de e n q u ê t e - g e g e v e n s w a r e n v o o r a l te v i n d e n i n een grotere a a n d a c h t v o o r o f f - l i n e toepassingen b i j n a t u u r - wetenschappelijk onderzoek (leerstofgebied 2) en een keuze v o o r een b e h a n d e l i n g i n twee ronden.

O p basis v a n deze gegevens w e r d u i t e i n d e l i j k een b l a u w d r u k v o o r t w e e l e s s e n s e r i e s u i t g e w e r k t ( H o g e n b i r k , E l l e r m e i j e r ,

M u l d e r en H e i j e l e r , 1986). Deze b l a u w d r u k bevatte een concept leerstoflijst v o o r havo en v o o r v w o . Gebaseerd op deze leerstof- lijsten w e r d per lessenserie een m o g e l i j k e opzet i n v i j f h o o f d - s t u k k e n geschetst. Naast het geven van een i n h o u d s b e s c h r i j v i n g en een o v e r z i c h t v a n de leerdoelen w e r d e n per hoofdstuk s u g - gesties gedaan v o o r m o g e l i j k e didactische w e r k v o r m e n . We geven een samenvatting van de belangrijkste k e n m e r k e n .

I. E e n lessenserie "Technische A u t o m a t i s e r i n g " v o o r e i n d vierde klas h a v o / v w o (ong. 15 lessen).

K e n m e r k e n :

- E e n t o e p a s s i n g s g e r i c h t e b e h a n d e l i n g v a n i n f o r m a t i e t e c h - nologie i n klas 4 havo en klas 4 v w o .

- M e e t - , s t u u r - en r e g e l s y s t e m e n i n t o e p a s s i n g e n u i t de d i r e c t e m a a t s c h a p p e l i j k o m g e v i n g v a n l e e r l i n g e n k o m e n h i e r b i j aan de orde.

- L e e r l i n g e n v e r k r i j g e n i n z i c h t i n de o p b o u w en de w e r k i n g v a n i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen door het zelfstandig o n t w e r p e n en b o u w e n v a n d e r g e l i j k e systemen v a n u i t een gegeven probleemstelling.

- D e n a d r u k l i g t h i e r b i j meer op o n t w e r p v a a r d i g h e d e n en probleemoplossing dan op pure kennis.

- D e systeembenadering w o r d t g e ï n t r o d u c e e r d als een handige m a n i e r v a n d e n k e n b i j het b e g r i j p e n en o n t w e r p e n v a n systemen.

II. E e n lessenserie "Computertoepassingen i n de n a t u u r k u n d e "

voor e i n d v i j f d e / b e g i n zesde klas v w o (ong. 15 lessen).

K e n m e r k e n :

- D e a a n d a c h t is g e r i c h t o p I T - t o e p a s s i n g e n b i j m o d e r n natuurwetenschappelijk onderzoek.

- I n z i c h t w o r d t gegeven i n de o p b o u w en de w e r k i n g v a n data-acquisitie systemen.

- B i j de b e h a n d e l i n g v a n m e e t s y s t e m e n w o r d t v o o r een grotere diepgang gekozen; gericht op de functie v a n het meetsysteem gaat het v o o r a l o m de vraag hoe e i g e n s c h a p - pen v a n systeemonderdelen (modulen) de k w a l i t e i t v a n het meetresultaat b e ï n v l o e d e n .

- I n z i c h t w o r d t gegeven i n het meereffect van het g e b r u i k van de computer ( o n - l i n e é n o f f - l i n e ) b i j e x p e r i m e n t e e l onderzoek, ook i n traditionele meetsituaties i n s c h o o l v e r - band.

- B i j o f f - l i n e toepassingen i n schoolverband gaat het v o o r a l o m het g e b r u i k van v e r w e r k i n g s p r o g r a m m a t u u r en m o d e l - l i n g - p a k k e t t e n b i j de analyse van meetgegevens en b i j hypothese toetsing.

D e z e b l a u w d r u k , met alle a c h t e r g r o n d i n f o r m a t i e over het vooronderzoek, was tenslotte onderwerp van b e s p r e k i n g op een studiedag v a n 14 j a n u a r i 1987. U i t g e n o d i g d voor deze studiedag waren de geraadpleegde respondenten uit het o n d e r w i j s v e l d en daarnaast ook leden van de resonansgroep i n f o r m a t i c a v a n het N I V O - p r o j e c t ( p r o j e c t N i e u w e I n f o r m a t i e t e c h n o l o g i e i n het Voortgezet O n d e r w i j s ) . Deze studiedag moest de a f s l u i t i n g v o r - m e n v a n het vooronderzoek. H e t ging n u o m de vraag o f na alle v o o r b e r e i d i n g e n op basis van deze b l a u w d r u k k e n de gewenste l e g i t i m e r i n g gerealiseerd was. Doorslaggevend h i e r v o o r was de v a s t s t e l l i n g o f de deelnemers aan de studiedag z i c h i n grote l i j n e n k o n d e n v i n d e n i n de gekozen opzet en i n de bijbehorende uitgangspunten. V o o r de respondenten van de e n q u ê t e was het zaak te beoordelen o f h u n wensen voldoende v e r w e r k t waren en voor de N I V O - r e s o n a n s g r o e p ging het o m de afweging o f i n het eindresultaat informatica-aspecten voldoende aan bod k w a m e n .

O p hoofdpunten k o n deze vraag na de studiedag bevestigend beantwoord w o r d e n (Verslag van de studiedag, 1987). D e keuze voor een behandeling op systeem-niveau zoals uitgewerkt i n de b l a u w d r u k k e n w e r d onderschreven, al bleef w e l de vraag open i n h o e v e r r e d i t ten koste z o u moeten gaan v a n de e l e m e n t a i r e e l e k t r o n i c a ( E l e k t r o n i c a maakte op dat moment al deel uit v a n het W E N - v o o r s t e l ) . D e discussies i n werkgroepen tijdens deze studiedag gaven tenslotte geen aanleiding o m de b l a u w d r u k k e n nog op belangrijke punten te w i j z i g e n . V a n a f d i t moment k o n gewerkt w o r d e n aan de p r o d u k t i e van concreet lesmateriaal en de toetsing, van v e r v a a r d i g d materiaal v i a e x p e r i m e n t e n i n de klas.

4. N a b e s c h o u w i n g

We c o n c l u d e r e n dat het b i j de onderzoeksopzet genoemde h o o f d - doel (het bereiken van een consensus onder deskundigen) rede- l i j k geslaagd is. D e i n de b l a u w d r u k k e n neergelegde opzet en uitgangspunten werden tijdens de studiedag breed ondersteund.

D e bijbehorende leerstoflijsten ( H o g e n b i r k , E l l e r m e i j e r , M u l d e r en H e i j e l e r , 1986) z i j n v r i j w e l o n g e w i j z i g d door de W E N o v e r - genomen i n de paragraaf ' F y s i s c h e I n f o r m a t i c a ' . D e resonans-

groep v a n het N I V O , die tot taak had te b e w a k e n dat i n f o r m a - tica-aspecten i n voldoende mate i n het d e e l - c u r r i c u l u m aan de o r d e k o m e n , is geheel a k k o o r d gegaan met de v o o r g e s t e l d e opzet. In het kader van het N I V O - p r o j e c t is op basis v a n de b l a u w d r u k k e n gewerkt aan de o n t w i k k e l i n g van v o o r b e e l d l e s - m a t e r i a a l . D i t v o o r b e e l d l e s m a t e r i a a l z a l b i n n e n k o r t o p de v o o r l o o p s c h o l e n v a n de W E N g e b r u i k t w o r d e n .

D e l e g i t i m e r i n g v a n i n h o u d e n door automatiseringsdeskundigen v e r d i e n t n o g w e l een k a n t t e k e n i n g . In het h i e r b e s c h r e v e n o n d e r z o e k is gekozen voor een open vraagstelling (gesprekken van ongeveer 2 uur) b i j de benadering van deze d e s k u n d i g e n m.b.t. tot de i n v u l l i n g v a n het gebied 'automatisering'. O p basis van een aantal r i c h t v r a g e n en een analyse v a n het onderhavige gebied is gepoogd i n z i c h t te k r i j g e n i n de v o l l e d i g h e i d v a n de analyse en een a n t w o o r d op de vraag o f b e l a n g r i j k e p r a k t i j k - c o n t e x t e n gemist w e r d e n . O p g e m e r k t is dat de reacties geen a a n l e i d i n g v o r m d e n het aantal consultaties u i t te b r e i d e n . D e v e r w a c h t i n g leek g e r e c h t v a a r d i g d dat d i t geen n i e u w e i n f o r - matie zou opleveren.

D e z e c o n c l u s i e l i j k t nog steeds j u i s t v o o r z o v e r het de i n - breng betreft van deskundigen met een experimenteel fysische a c h t e r g r o n d . A l l e g e r a a d p l e e g d e n b e s c h i k t e n o v e r s p e c i f i e k e d e s k u n d i g h e i d op het gebied van de experimentele f y s i c a . L o - pende het vooronderzoek echter w e r d , mede door de l a n d e l i j k e o n t w i k k e l i n g e n , de aandacht v o o r meer algemene i n f o r m a t i c a - aspecten steeds groter. H i e r d o o r w e r d ook de procesautomatise- r i n g als p r a k t i j k - c o n t e x t voor de behandeling v a n i n f o r m a t i e - v e r w e r k e n d e s y s t e m e n b e l a n g r i j k e r . In d i t l i c h t b e z i e n is de raadpleging v a n slechts é é n persoon met d e s k u n d i g h e i d op het bredere terrein v a n de procesautomatisering aan de magere kant.

Daarnaast zou het n u voorliggende c u r r i c u l u m - o n t w e r p achteraf bezien aan k w a l i t e i t k u n n e n w i n n e n door een confrontatie van de destijds g e ï n t e r v i e w d e i n h o u d s d e s k u n d i g e n met het v o o r l o p i g e eindresultaat.

Literatuur

B e v i s , G . , C . C o u g h & E . Deeson (1985) B a n electronics f r o m schoolphysics, Phys. Ed., 20, 109-113.

B e v i s , G . & M . P a g e ( 1 9 8 6 a ) M i c r o e l e c t r o n i c s E d u c a t i o n P r o g r a m m e Part 1. P r a c t i c a l E l e c t r o n i c s .

B e v i s , G . & M . Page (1986b) M i c r o e l e c t r o n i c s E d u c a t i o n P r o - gramme Part 2. P r a c t i c a l E l e c t r o n i c s .

B u r g e r , W . e.a. (1984) IPN Curriculum Physik. Institut der P a d a - gogik der Naturwissenschaften, U n i v e r s i t a t K i e l .

G e d d e s , M . (1984) T h e system approach i n electronic teaching.

Phys. Ed., 19, 2 6 8 - 2 7 1 .

E l l e r m e i j e r , A . L . & R . H e i j e l e r (1986) Discussiestuk I n f o r m a t i e - technologie i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s . In: A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) , Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, 4 - 2 2 , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m .

H a m a n n , D . (1983) Computers i n Physics: a n O v e r v i e w , Physics Today, 2 5 - 3 2 , .

H e i j e l e r , R . (1986) Samenvatting v a n gesprekken met d e s k u n d i g e n F y s i s c h e Informatica. In: A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) , Natuurkunde- onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, bijlage E , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m .

H o g e n b i r k , P . (1986) E r v a r i n g e n met de thema's E l e k t r o n i c a e n A u t o m a t i s e r i n g . I n A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) , Natuurkunde-onder- wijs en informatica, v e r z a m e l r a p p o r t I T N 8602, bijlage H , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m .

H o g e n b i r k , P . , A . L . E l l e r m e i j e r , C . H . T . M u l d e r & R . H e i j e l e r (1986) V o o r s t e l voor Informatica i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s van h a v o - v w o . I n A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) , Natuurkunde-onder- wijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, 2 6 - 4 0 , D i d a k - tiek N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m .

K l e r k , M . de (1984) E l e c t r o n i c a i n natuurkundelessen, voor havo en v w o , Faraday 20.

M u l d e r , C . H . T . & A . L . E l l e r m e i j e r (1986) D e m e n i n g e n v a n des- k u n d i g e n over het discussiestuk: conclusies vanuit de v r a g e n - l i j s t . I n : A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, 2 3 - 2 5 , D i d a k t i e k N a - t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m .

M u l d e r , C . H . T . (1986) R a p p o r t over de situatie m.b.t. v e r g e l i j k - baar onderwijs i n E n g e l a n d . In: A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) , Na- tuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, bijlage F , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m . M u l d e r , C . H . T . (1986) D e gegevens u i t de vragenlijst b i j het discussiestuk. In: A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) , Natuurkunde-onder- wijs en informatica, v e r z a m e l r a p p o r t I T N 8602, bijlage G , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m .

P l o m p , T j . (1985) O n d e r w i j s en informatietechnologie: s i t u e r i n g van het s y m p o s i u m thema. In: Onderwijs en Informatietech- nologie. V e r s l a g v a n een S V O / C O D - S y m p o s i u m . D e n Haag:

S V O .

P S O I - r e e k s (1986) n r . 12. Aanvullend beleidskader Informatica Bovenbouw havo/vwo. D e n Haag: M i n i s t e r i e v a n O n d e r w i j s en Wetenschappen.

R a d e m a k e r , O . (1982) FTI: Fysisch Technische Informatiever- werking. nr.948; intern rapport v a n de vakgroep S y s t e e m - en R e g e l t e c h n i e k , E i n d h o v e n : Technische U n i v e r s i t e i t .

Wester, T . J . M . (1986) Microcomputers en Electronica binnen het Natuurkunde Onderwijs aan de grammar-school. M O - B s c r i p - tie, D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m . V e r s l a g v a n de studiedag (1987) Natuurkunde-onderwijs en in

Informatica, I T N - r a p p o r t 8701, D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i - versiteit v a n A m s t e r d a m .

V e r s t e r , R a d e m a k e r (1982) Informatica en (technische) natuur- kunde. n r . 8 2 5 ; intern rapport v a n de vakgroep S y s t e e m - en R e g e l t e c h n i e k , E i n d h o v e n : Technische U n i v e r s i t e i t .

V r i e s , M . d e . (1988) Techniek in het Natuurkunde-onderwijs.

P r o e f s c h r i f t , E i n d h o v e n : T e c h n i s c h e U n i v e r s i t e i t , 4 7 - 5 0 . V o l g e r , J . (1984) Natuurkunde in Nederland, O v e r z i c h t en v o o r -

u i t z i c h t . V e r k e n n i n g s C o m m i s s i e N a t u u r k u n d i g O n d e r z o e k . W i n k l e r P r i n s ( 1 9 7 7 ) Technische Encyclopedie, deel 4,

A m s t e r d a m : A r g u s E l s e v i e r , p. 117.