Geïntegreerd STEM-onderwijs in de praktijk. dr. Heidi Knipprath ing. Jolien De Meester

(1)

Geïntegreerd STEM-onderwijs in de praktijk

dr. Heidi Knipprath ing. Jolien De Meester

(2)

Geïntegreerd STEM-onderwijs in de praktijk

 Omkadering

 Doelstellingen & visie STEM@school

 Implementatie van iSTEM

 Eerste onderzoeksresultaten

 Voorbeelden

 Module Wagentje door groene golf

 Module Passief huis

2

(3)

Omkadering

Doelstellingen, visie en

implementatie

(4)

Bron: http://www.stem-academie.be/info

(5)

(6)

(7)

Bron: https://www.vlaanderen.be/nl/publicaties/detail/stem-af-op-de-toekomst

(8)

(9)

STEM@school

• STEM@school = strategisch basis onderzoek (SBO) Periode: 06/2014-05/2018

(10)

Doelstelling STEM@school

• Een geïntegreerde STEM-didactiek op basis van onderzoek ontwikkelen en implementeren die

– leerlingen van ASO en TSO doet inzien hoe STEM werkt en waarom STEM relevant is;

– waardoor ze een beter gemotiveerde studiekeuze en/of keuze op de arbeidsmarkt maken;

(11)

Wat willen we bereiken?

1. Meer inzicht in relevantie van STEM

2. Leren & toepassen van STEM-inhouden 3. Integreren van STEM-inhouden

4. Gericht zijn op en vaardig zijn in onderzoek & ontwerp 5. Denken & redeneren, modelleren & abstraheren

6. Strategisch toepassen & ontwikkelen van technologie

7. Interpreteren van en communiceren over informatie i.v.m.

wetenschap, technologie, engineering & wiskunde 8. Samenwerken als STEM-team

(12)

Hoe willen we dat bereiken?

Pijlers van geïntegreerd STEM-onderwijs

 Integratie & modellering van STEM-leerinhouden (Merrill, 2002)

 Probleemgecentreerd leren (Merrill, 2002)

 Onderzoekend & ontwerpend leren (Sanders, 2009)

 Samenwerkend leren (Mazur, 2013)

 Vakdidactische input (onderzoek rond (conceptueel) leren)

12

(13)

(14)

Integratie van STEM-leerinhouden

• Integratie van leerinhouden met respect voor elke STEM-discipline afzonderlijk

• Implicatie:

– (1) een STEM-vak waarin de integratie centraal staat in functie van het oplossen van een

authentiek probleem;

– (2) het aanpassen van de volgorde van

leerinhouden van de basisvakken fysica en wiskunde

(15)

Lessentabel

• Aantal uren per week voor Wetenschappen & Industriële Wetenschappen:

– 3 uur apart STEM-vak

– 1 uur van reguliere wiskunde – 1 uur van reguliere fysica

= 5 uur STEM-inhoud

(16)

Organisatie

STEM-lerarenteam/-schoolklimaat

 Multidisciplinair team

 Wekelijkse vergadermomenten:

 Notaties en terminologie op elkaar afSTEMmen

 Voorkennis, extraatjes, planning op elkaar afSTEMmen

 Enthousiasme en leergierigheid

 Investering in leeromgeving

(17)

Probleemgecentreerd leren

• Authentiek, uitdagend en niet- vastomlijnd probleem

• De uitdaging staat centraal in het STEM-vak en bepaalt welke

leerinhouden aan bod komen.

• Leerlingen worden betrokken in het gehele proces van het oplossen van een probleem, onder begeleiding.

(18)

Onderzoekend en ontwerpend leren

• Om een authentiek probleem op te lossen, doorlopen leerlingen meermaals een onderzoeks- en/of ontwerpcyclus.

• De onderzoeks- en ontwerpcyclus bestaat globaal uit vier fases:

oriënteren, voorbereiden, uitvoeren en reflecteren.

• Het is belangrijk dat leerlingen tijdens onderzoekend en

ontwerpend leren goed begeleid worden.

(19)

Samen leren

• Een succesvolle onderwijsstrategie waarbij leerlingen in kleine groepjes samenwerken aan de uitvoering van een

gemeenschappelijke taak.

• Leerlingen nemen actief deel door informatie uit te wisselen, te discussiëren, en te experimenteren.

• Samen leren draagt bij tot het verwerven van sociale vaardigheden en taalontwikkeling.

– Zie voor concrete voorbeelden van werkvormen voor samen leren https://fys.kuleuven.be/slonwf/

lesmateriaal-1/samen-leren/samen-leren-vliebergh.pdf.

(20)

Vakdidactische input

• Gebruik maken van vakdidactische onderzoeksresultaten:

– Kennis over en het kunnen toepassen van de gepaste instructiewijze om specifieke

vakinhouden over te brengen aan de leerlingen.

(21)

Misconcepties

‘Nog 50 km tot aan de Colruyt’

Bron: https://sites.google.com/site/vakdidactiekfysica/ii-leerlingendenkbeelden

(22)

Resultaat

22

(23)

Omkadering

Eerste onderzoeksresultaten

(24)

Onderzoeksopzet

Onderzoeksopzet: vergelijken van

*geïntegreerde STEM ←→ klassieke methode

*pretest –

posttest design

24

(25)

Cognitieve toetsen

• Onderzoeken en Ontwerpen

• Fysica kennis

• Fysica toepassen

• Wiskunde kennis

• Wiskunde toepassen

• Technologische concepten

• Integratievragen

25

Attitudes

• Carrière-aspiraties

• Interesse

• Saaiheid

• Geslachtsverschillen

• Positieve gevolgen

• Negatieve gevolgen

• Moeilijkheid

Onderzoeksopzet

(26)

Gemeten effecten 3

^de

leerjaar

26

Effect geïntegreerde STEM-didactie

Onderzoeken en Ontwerpen 0

Fysica kennis 0

Fysica toepassen 0

Wiskunde kennis 0

Wiskunde toepassen +

Technologische concepten 0

Integratievragen +

(27)

Conclusies eerste implementatiejaar

• Niets is slechter geworden

• Wat is er anders?

Geïntegreerde STEM-didactiek

• beter in wiskunde toepassen

• beter in integratievragen oplossen

27

(28)

Gemeten effecten 3

^de

leerjaar

28

Effect geïntegreerde STEM-didactiek Attitude wetenschappen Interesse + Attitude wiskunde Moeilijkheid + Attitude technologie Interesse +

(29)

Conclusies eerste implementatiejaar

• Niets is slechter geworden

• Wat is er anders?

Geïntegreerde STEM-didactiek

• meer interesse in wetenschappen

• meer interesse in technologie

• wiskunde wordt als moeilijker gezien

29

(30)

Uitdagingen

• Maatschappelijke relevantie

–geen effect gevonden bij ‘positieve gevolgen’

–nog geen relevantie die verder gaat dan ‘de klas’

• Na eerste implementatiejaar: we bereiken een deel van onze doelen

30

(31)

Concrete voorbeelden

(32)

Geïntegreerd STEM-onderwijs in de praktijk

 Omkadering

 Visie STEM@school

 Organisatie in testscholen

 Voorbeelden

32

(33)

Geïntegreerd STEM-onderwijs in de praktijk

 Omkadering

 Voorbeelden

33

(34)

Ontwikkelen van

STEM-integrerende leermodules voor & door leerkrachten

Expertise, Leerdoelen, Onderzoek Expertise,

Niveau lln, Leerplannen...

Vakoverschrijdend team leerkrachten Secundair Onderwijs

Team onderzoekers KU Leuven

Ontwikkeling leermodules

34

(35)

UITDAGING:

m.i.v.

ONDERZOEK &

ONTWERP

LEERINHOUD:

m.b.t.

STEM- concepten

Welke inzichten zijn nodig om deze uitdaging

te kunnen oplossen?

Welke interessante probleem-omschrijving kan deze leerinhouden

betekenisvol verenigen?

35

Ontwikkeling leermodules

De Meester, J., Langie, G., De Cock, M., Dehaene, W. (2017).

Method for the development of STEM-integrating learning materials.

ESERA 12^thconference.

(36)

 Integratie van concepten S, T, M

 Variabelen

 Tabellen,

vergelijkingen, grafieken

 Verbanden

 Functies:

eerstegraad &

tweedegraad

 Bouwen

 Elektriciteit

 LEDs, sensoren, DC-motor

 Programmeren:

variabelen, PWM,

while-lus

 Tijd

 Positie

 Snelheid

 Versnelling

 EVRB

 Meten

 Onderzoeken

36

LEERINHOUD:

m.b.t.

Module Wagentje door groene golf

(37)

UITDAGING:

m.i.v.

ONDERZOEK &

ONTWERP

LEERINHOUD:

m.b.t.

37

Ontwikkeling leermodules

(38)

 Uitdaging:

Wat is een beweging? Welke soorten bewegingen bestaan er?

Wat zijn de eigenschappen waarmee we zo’n beweging kunnen beschrijven?

Wat is een Groene Golf?

Hoe wordt een wagentje geprogrammeerd?

Hoe wordt een wagentje gebouwd?

Wat is een programmeerbare, zelfstandig rijdende wagen?

Bouw een programmeerbare, zelfstandig rijdende wagen, zoals de Google Autonomous Car, maar dan in mini-versie,

en laat het een Groene Golf in één beweging door rijden. 𝒂 𝒗

Bouw een programmeerbare, zelfstandig rijdende wagen, zoals de Google Autonomous Car, maar dan in mini-versie, en laat het een Groene Golf in één beweging door rijden.

38

UITDAGING:

m.i.v.

ONDERZOEK &

ONTWERP

Module Wagentje door groene golf

(39)

 Integratie van concepten S, T, M

 Variabelen

 Tabellen,

vergelijkingen, grafieken

 Verbanden

 Functies:

eerstegraad &

tweedegraad

 Bouwen

 Elektriciteit

 LEDs, sensoren, DC-motor

 Programmeren:

variabelen, PWM,

while-lus

 Tijd

 Positie

 Snelheid

 Versnelling

 EVRB

 Meten

 Onderzoeken

39

LEERINHOUD:

m.b.t.

Module Wagentje door groene golf

(40)

Expliciete integratie

van S-, T- & M-leerinhouden

 snelheid, versnelling,

functies, variabelen, lussen...

 a.d.h.v. 4 grote experimenten:

Het voorstellen van de snelheid

𝒂 𝒗? ∆𝒔

∆𝒕

𝒕

Het programmeren van de snelheid

∆𝒔

∆𝒕

𝒗

𝑷𝑩

verband?

𝒗_𝒈𝒆𝒎 = ∆𝒔

∆𝒕

40

Module Wagentje door groene golf

(41)

van S-, T- & M-leerinhouden

 snelheid, versnelling,

functies, variabelen, lussen...

 a.d.h.v. 4 grote experimenten:

Het voorstellen van s(t), v(t) en a(t) 𝒔

𝒕

𝒂

𝒕 𝒗

𝒕

Het programmeren van de versnelling

While 𝒗 < 𝒗𝒘

PB = PB +ΔPB Delay = Δt

tijd t (s) snelheid 𝒗

van het wagentje

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 m/s

Δv Δt

𝑣_𝑤

𝒂_𝒈𝒆𝒎 =∆𝒗

∆𝒕

41

⇒

EVRB

s(t) = s(t0)+ v(t0)∙(t^–t0) + ac

2 ∙(t–t0)2 v(t) = v(t0) + ac∙(t – t0)

Module Wagentje door groene golf

(42)

van T-leerinhouden & E-vaardigheden

 Werking microcontroller, elektrisch circuit, H-brug, PWM

 Programmatie verkeerslicht

 Programmatie wagentje

42

aan = digitalRead(switchPin);

PB = 255;

analogWrite(enablePWMPin, PB);

digitalWrite(controlPinA, aan);

digitalWrite(controlPinB, LOW);

Module Wagentje door groene golf

(43)

Module Wagentje door groene golf

Impressies uit de klas

43

(44)

Geïntegreerd STEM-onderwijs in de praktijk

 Omkadering

 Voorbeelden

44

(45)

 Uitdaging:

Bouw een groen huis, opgewarmd m.b.v. zonneboiler

en waarvan de vloerverwarming geregeld wordt door een on/off-regeling.

45

Module Passief huis

(46)

Integratie van STEM-leerinhouden

 Fysische formules warmteleer:

 Wiskundige bewerkingen rijen:

Recursief voorschrift Tz = P − Plek,vorig ∙∆t

m∙c + Tz,vorig met Plek,vorig = Tz,vorig − Text

Rth en Tz,0 = T0 Expliciet voorschrift Tz,n = Tz,0 − Tev ∙ −1∙∆t

m∙c∙Rth + 1 n−1

+ Tev

Plek = Thuis − Tbuiten Rth

P = Q

∆t = m∙c∙ Thuis − Thuis,vorig

∆t

⇒ Thuis = P − Plek ∙∆t

m∙c + Thuis,vorig Modelleer het temperatuurverloop in het huis

Module Passief huis

(47)

Probleemgecentreerd leren

Het is de bedoeling dat je in deze module een passief huis bouwt dat

verwarmd wordt met een zonneboiler en vloerverwarming. Je hoort vaak in de actualiteit dat we spaarzaam moeten zijn met energie. We moeten er dus voor zorgen dat huizen goed geïsoleerd worden en gebruik maken van alternatieve

energiebronnen. Maar wat houdt dat in?

Module Passief huis

(48)

Nu je de verschillende onderdelen van een zonneboiler kent, kan je ook bepalen welke aspecten je zal moeten onderzoeken om de collectorvloeistof

zo efficiënt mogelijk op te warmen. Welke keuzes moet je maken bij het maken van de zonneboiler?

Onderzoek & ontwerp

Module Passief huis

(49)

Samen leren

en waarvan de vloerverwarming geregeld wordt door een on/off-regeling.

Onderstaande oefening peilt specifiek naar veel voorkomende misconcepties bij leerlingen.

Laat hen deze vragen via peerinstructie oplossen.

Verdeel hier eventueel de proeven over verschillende groepen, zodat niet alle groepen alle proeven moeten doen. Laat hen nadien aan elkaar verslag uitbrengen.

Je kan ervoor opteren om alle groepjes in de klas zowel de zonneboiler als het passief huis te laten bouwen. Of je laat een aantal groepjes de zonneboiler bouwen en een aantal groepjes het passief huis. Op deze manier zijn de groepjes ook onderling verplicht om samen te werken, zodat het passief huis en de zonneboiler op elkaar aangesloten kunnen worden.

Module Passief huis

(50)

Vakdidactische input

Hoe kan je nu bepalen, rekening houdend met het verlies doorheen de muren van het huis, hoeveel warmte toegevoegd moet worden om een bepaalde temperatuur te realiseren? Om dit principe te begrijpen, maken we gebruik

van een analogie. [1]

Waterstroom

Hieronder staat een waterstroom afgebeeld. Er loopt water in een vat en onderaan het vat kan er water uit het vat lopen. Zowel de instroom als uitstroom kan geregeld worden met een kraantje.

Hoe kan je ervoor zorgen dat het niveau van het water:

•constant blijft?

•daalt?

•stijgt?

Deze redenering kan je nu ook toepassen op het huis. De waterinstroom is de hoeveelheid warmte die in het huis gestoken wordt met behulp van een verwarmingselement. De wateruitstroom is het warmteverlies doorheen de muren. En het waterniveau is de temperatuur in het huis. Doe de

denkoefening in dit geval opnieuw.

[1] Arnold, M., & Millar, R. (1996). Learning the scientific 'story': a case study in the teaching and learning of elementary thermodynamics. Science Education, 249-281.

Module Passief huis

(51)

Impressies uit de klas

Module Passief huis

(52)

Ontwikkelde leermodules

Te downloaden na registratie op:

www.stematschool.be

(enkel de uitgeteste modules)

52