Inhoud
1 Studiewijzer PR1 Fysica 3
2 Inleiding 6
3 4D didactiek 8
3.1 Dimensie 1: Fysische wereld en context 12
3.2 Dimensie 2: Kernideeën 14
3.3 Dimensie 3: Perspectieven 24
3.4 Dimensie 4: Denk- of werkwijzen 45
3.5 4D didactiek concreet 56
4 Ideeën en leerlingendenkbeelden 57
4.1 Probleemstelling 57
4.2 Wat zijn leerlingendenkbeelden? 58
4.3 Leerlingendenkbeelden in een didactisch model 61
4.4 Belangrijkste leerlingendenkbeelden 64
4.5 Didactische aanpak in de klas 65
4.6 Opdrachten 69
5 Leren onderzoeken 70
5.1 Workshop: Leer observeren en vragen stellen 70
5.2 Workshop: Wat doet een wetenschapper? 73
5.3 Workshop: 5E’s als didactische leidraad 75
5.4 VZW Winadoe 79
6 Werkvormen: de basis 80
6.1 Doceren 80
6.2 Het onderwijsleergesprek + demonstratie 81
6.3 Demonstraties 86
6.4 Leerlingenproeven 87
6.5 Andere werkvormen 88
7 Speciale werkvormen voor leerlingendenkbeelden 90
7.1 Conceptkaarten 90
7.2 Concept cartoons 94
8 Lesvoorbereidingen in de 4D didactiek 100
8.1 Lesdoelen formuleren 100
8.2 De lesfiche 102
8.3 Stappenplan lesvoorbereiding 102
8.4 Workshop: In kleine stappen naar meer onderzoek 104
9 Informatiebronnen 106
9.1 Informatie: een probleem? 106
9.2 Informatievaardig worden 106
9.3 Informatiebronnen voor fysica 108
9.4 Opdrachten 113
9.5 Websites 114
10 eindtermen en leerplannen 117
10.1 Inleiding 117
10.2 Modernisering secundair onderwijs 118
10.3 Eindtermen, vakken en leerplannen 119
11 Bijlagen 131
11.1 Bijlage 1: oplossingen vragen leerlingendenkbeelden 131 11.2 Bijlage 2: overzicht leerlingendenkbeelden 132
o de leerlingen tijd krijgen om te observeren;
o dat ze hun observaties nauwkeurig leren formuleren;
o en dat ze aangemoedigd worden om vragen te formuleren.
Doorgaans is er een grote variëteit aan vragen. De vragen worden sterk beïnvloed door zowel de voorkennis en de interesses van de leerlingen en door de waarneming. De vragen van de leerlingen leren je dus een heleboel over hun interesses en over de
aanwezige voorkennis en denkbeelden.
In Figuur 64 vind je terug op welke leeftijd opgroeiende kinderen lees- en schrijfvaardigheden verwerven. In contrast daarmee zien we dat kleuters van nature de kunst van het vragen stellen beheersen en dat deze vaardigheid eerder lijkt te verdwijnen naarmate ze ouder worden.
Figuur 64: Het verloop van het percentage gehaalde vaardigheden voor verschillende leeftijden. De lichtblauwe grafiek zijn de leesvaardigheden, de donkerblauwe de schrijfvaardigheden en de gele grafiek geeft de vaardigheid waar om vragen te stellen.
Er lijkt dus een negatieve correlatie te bestaan tussen onderwijs en het stellen van vragen. Dit toont niet aan dat onderwijs de oorzaak is van het verliezen van deze vaardigheid10. Er zijn immers nog andere redenen te bedenken die dit patroon verklaren (Janssen & de Hullu, 2008).
Naarmate kinderen ouder worden hun modellen over de fysische wereld rijker en
nauwkeuriger en hierdoor verdwijnt de drang om die modellen opnieuw in vraag te stellen.
Figuur 64 maakt wel duidelijk dat onderwijs niet in staat is om de afname van deze
vaardigheid te stoppen. Iets wat soms pijnlijk zichtbaar wordt bij adolescenten/volwassenen die nog nauwelijks een vraag kunnen bedenken als je hen er expliciet naar vraagt.
Het 4D model is er op gericht om jongeren te (her)leren om vragen te stellen. Het stellen van vragen is een expliciete onderzoeksvaardigheid die we moeten trainen. En ook de
perspectieven (zie 3.3) zijn interessante hulpmiddelen om leerlingen aan te zetten de fysische wereld opnieuw in vraag te stellen. Eenmaal iemand terug begint met vragen te stellen is er dikwijls geen houden meer aan. Elke vraag leidt tot nieuwe observaties en proefjes die nieuwe vragen genereren. Je zit op een rollercoaster, waarbij de ene vraag de andere uitlokt. Niks leuker dan dat.
10 Een correlatie mag je niet verwarren met een oorzaak. Het is niet omdat er een correlatie bestaat tussen de het uur dat de hanen kraaien en het uur van de zonsopgang dat de hanen de oorzaak zijn van het opkomen van de zon. Een oorzaak moet noodzakelijk aanwezig zijn voordat het fenomeen zal optreden. De zon zal evenwel blijven opkomen, ook als de hanen het zwijgen wordt opgelegd.
5.1.2 Onderzoek de vragen
“The important thing is not to stop questioning. Curiosity has its own reason for existing. One cannot help but be in awe when he contemplates the mysteries of eternity, of life, of the marvellous structure of reality. It is enough if one tries merely to comprehend a little of this mystery every day. Never lose a holy curiosity” (Albert Einstein)
Opdracht 3 (10 - 30 min.)
o Bekijk jullie vragen en sorteer ze in 2 hoopjes o Welke zijn onderzoekbaar?
o Welke zijn niet onderzoekbaar?
§ Definitie ‘Onderzoekbaar’ = deze vraag is te beantwoorden door een concreet onderzoek uit te voeren.
o Optioneel: Kies 1 onderzoekbare vraag en probeer deze te beantwoorden met behulp van de experimentele middelen uit de klas. Als het onderzoek te lang duurt stel je een onderzoeksplan op.
Bovenstaande opdracht is erop gericht om na te denken over de criteria waaraan een onderzoekbare vraag moet voldoen. Leidt de vraag tot het uitvoeren van een concreet
onderzoek? Belangrijk hierbij is te beseffen dat niet alle vragen zo maar onderzoekbaar zijn.
Een vraag die begint met ‘waarom’ is niet onderzoekbaar (vb. waarom smelt ijs?). Een waaromvraag wordt beantwoord via een verklarend model (vb. ijs smelt omdat de
omgevingswarmte de watermoleculen extra energie geven waardoor ze aan hun binding kunnen ontsnappen). Een waaromvraag wordt dus niet beantwoord door een experiment te doen. Om een waaromvraag te beantwoorden moet je dus eerst weten hoe de dingen in elkaar passen. Let wel op dit wil niet zeggen dat waaromvragen niet OK zijn. Een waaromvraag is dikwijls een noodzakelijk startpunt. Je moet eerst op zoek gaan naar antwoorden (vb. via het internet, medeleerlingen, het handboek, of de leerkracht). Als je de verklarende modellen begrijpt kan je juist heel interessante onderzoekbare vragen beginnen te stellen.
Onderzoekbare vragen zijn vragen van een ‘hoger’ niveau. Je hebt al een verklarend model van hoe het fenomeen in elkaar zit. De waaromvraag is dus al beantwoord.
Wetenschappers noemen dit eerste verklarend model een hypothese. Pas nu ga je echt onderzoeken. Je zoekt variabelen die je kan beïnvloeden via experimenten (vb. de druk, de temperatuur, …) en je gaat op zoek naar patronen die je met behulp van je hypothese kan verklaren (vb. wat is de invloed van de druk op de smelttemperatuur?).
Nog een voorbeeld naar aanleiding van een simpele observatie: toiletpapier zuigt water naar omhoog. De voor de hand liggende vraag is: ‘Waarom ‘kruipt’ het water in toiletpapier naar omhoog?’. Dit is evenwel geen onderzoeksvraag. Pas als je een idee hebt van hoe water in toiletpapier kan binnendringen (papier is poreus en zuigt net als een spons water op) kan je relevante variabelen gaan vast leggen, in dit geval het soort vloeistof en het soort toiletpapier.
Je kan dan verschillende onderzoeken opzetten die volgende vragen beantwoorden: ‘Wat is de invloed van het soort toiletpapier op de absorptie van water?’ Wat is de invloed van het soort vloeistof op de absorptie van deze vloeistof in toiletpapier?
5.1.3 De fysica van ijs
Even tussendoor wat fysische inzichten rond de vorming van ijs.
Het is niet evident om helder en doorzichtig ijs te maken. IJs is lichter dan water en zet dus uit bij het bevriezen. Als we een glas water in de diepvries zetten, vormt de ijslaag zich eerst aan de rand.
Het water raakt hierdoor opgesloten in een reservoir van ijs (zie Figuur 65). Dit opgesloten water zal evenwel ook uitzetten als het
bevriest en het ijsreservoir onder druk zetten en doen barsten. De lucht en de onzuiverheden in het water tijdens dit proces komen allemaal centraal te zitten. Hierdoor zijn ijsblokjes in het centrum doorgaans ondoorzichtig.
Figuur 65: Water in verschillende stadia van bevriezen. Links: zuiver water met enkele onzuiverheden. Midden: De ijslaag ontstaat aan de buitenkant. Rechts: Laatste stadium voordat het water volledig bevriest. Alle onzuiverheden zitten nu centraal en de ijsrand staat onder grote druk.
Toch zijn er truckjes om zuivere ijsblokjes te maken. Hiervoor werk je best in een geïsoleerd reservoir zodat het ijs net als in de natuur van boven naar onder bevriest (zie Figuur 66).
Meer praktische tips vind je op YouTube: youtu.be/o_2TbWEEn9A en youtu.be/CboJJ5pu910.
Figuur 66: Zuiver ijs maak je in een goed geïsoleerd reservoir. Het ijs bevriest nu van boven naar onder. Enkele het deel onderaan bevat onzuiver water en zal niet helder zijn als het bevriest.
5.1.4 Besluiten workshop observeren en vragen stellen
o Verwondering en nieuwsgierigheid zijn een trigger tot onderzoek.
o Neem tijd voor
o het observeren en het formuleren van observaties;
o het opstellen van vragen door de leerlingen.
o Sommige vragen zijn onderzoekbaar en andere (vb. waaromvragen) niet. Alle vragen zijn interessant.
o Niet onderzoekbare vragen (vb. waaromvragen) kunnen omgevormd worden tot onderzoekbare vragen door de antwoorden op deze vragen te zoeken en de variabelen te definiëren.
5.2 WORKSHOP: WAT DOET EEN WETENSCHAPPER?
5.2.1 ‘Tricky Tracks’
Via de figuren van ‘Tricky Tracks’ kruip je in de huid van een wetenschapper. Zoek je patronen en maak je model bij deze patronen. Om de verrassing niet te verstoren zijn deze figuren hier niet afgeprint. Ze zijn wel terug te vinden op Canvas.
Wetenschappers proberen de werkelijkheid te begrijpen. Ze observeren de wereld en vinden daarin patronen (bv. waterstof zendt heel specifieke kleuren licht uit). Deze patronen worden rechtstreeks uit de data afgeleid en zijn door iedereen observeerbaar. Ze bevatten zo weinig mogelijk interpretaties. Deze patronen geven aanleiding tot waaromvragen (waarom zendt H slechts enkele specifieke kleuren uit?). Wetenschapper proberen deze vragen te beantwoorden via verklarende modellen (Voor de verklaring van de H-kleuren hebben we het atoommodel ontwikkeld). Initieel noemen we deze modellen een hypothese. We geven hierdoor aan dat we nog niet heel zeker zijn van het model. Deze hypothese wordt getest met behulp van andere observaties (bv. de spectra van andere atomen). Hoe meer verschillende observaties de hypothese bevestigen, hoe betrouwbaarder de hypothese is. Deze hypothese en de bijhorende observaties vormen na verloop van tijd een aanvaarde theorie.
Het onderscheid kunnen maken tussen een patronen en een model is dus cruciaal in het wetenschappelijk proces. Het is belangrijk om leerlingen het onderscheid te laten zien.
‘Tricky Tracks’ biedt hiervoor een interessant startpunt. Laat leerlingen beschrijven wat ze op deze figuur zien. Laat eerst enkel het linkerdeel van de figuur zien, nadien wordt de figuur uitgebreid met het middendeel om te eindigen met het derde deel. Er worden meestal zowel patronen als hypothetische modellen geformuleerd. Leer hen het onderscheid te maken.
Patronen zijn gekoppeld aan onze zintuigen en kunnen dus enkel informatie bevatten die rechtstreeks een gevolg is van zien, horen, proeven, ruiken of voelen. Een hypothese/model kan men niet rechtstreeks waarnemen. Het brengt de waarnemingen in een samenhangend en helder geheel. Het is een kunst om de juiste hypotheses te vinden. Daag de leerlingen uit verschillende modellen te maken. Zonder extra observaties is het dikwijls niet mogelijk om uit te vissen welke hypothese de juiste is.
5.2.2 ‘Mystery Box’
Opdracht 1 (10 min.)
o In een doosje zit een voorwerp. Probeer te achterhalen wat er in het doosje zit zonder het doosje te openen of te beschadigen.
o Maak een model (tekening) van wat er in het doosje zit.
Opdracht 2 (20 min.)
• Groepen geven hun doosje en model aan elkaar door. De nieuwe groep probeert het voorgestelde model uit en past eventueel aan.
• Klassikale voorstelling van de resultaten over alle doosjes. Wees kritisch voor elkaars argumenten. Hoe zeker ben je van het model? Zijn er voldoende observaties aanwezig die het model ondersteunen? Zoek eventueel andere modellen die aan dezelfde observatie voldoen.
Opdracht 3 (5 min.)
Reflecteer ook eens over de gebruikte aanpak. Welke van onderstaande tekeningen komt het best overeen met de aanpak die je gebruikte?
Opdracht 4 Overloop Dimensie 4: Denk- of werkwijzen 3.4 (20 min.)
• Maak je eigen top 3 rangschikking van de denk- of werkwijzen. Motiveer je keuze.
• Hoe zou je leerlingen jouw favoriete denk- en werkwijzen aanleren in de eerste graad van het SO?
5.3 WORKSHOP: 5E’S ALS DIDACTISCHE LEIDRAAD
Leerlingen moeten leren onderzoeken. Hiervoor moet het
‘onderzoeken van de wereld’ een centraal gegeven zijn tijdens het klasgebeuren. Halverwege de jaren tachtig ontwierp ‘the Biological Sciences Curriculum Study’
(BSCS) (https://bscs.org/bscs-5e-instructional-model) het 5E Instructiemodel dat onderzoeken centraal zet tijdens de lessen. Het model kent vijf fasen: Engage, Explore,
Explain, Elaborate, en Evaluate. Het is gebaseerd op ons huidige begrip van de leerprocessen, wordt veelvuldig gebruikt in verschillende STEM disciplines en is uitgebreid getest (Duran & Duran, 2004) (Bybee, 2009). Hoewel dit stappenplan niet strikt moet gevolgd worden, biedt het een stevige kapstok om onderzoekende lessen vorm te geven.
5.3.1 De verschilende fasen 5.3.1.1 Engage & Excite
De eerste fase betrekt leerlingen bij het onderwerp van de les. Ze concentreren zich mentaal op een voorwerp, een probleem of en situatie of gebeurtenis (liefst uit hun directe leefwereld) en formuleren hun eerste ideeën. Het doel van deze fase is de aandacht van de studenten te trekken en ze nieuwsgierig te maken. Ze worden gemotiveerd om een goede vraag te vinden
die in de Explore-fase kan worden onderzocht. De rol van de leraar is om de situatie te presenteren en de studenten te helpen de centrale vraag (de kernvraag van de les) te formuleren.
Activiteiten leraar Activiteiten leerlingen
• Demonstreert een raadselachtig of discrepant fenomeen, definieert een uitdagend probleem, vertelt over een speciale (historische) gebeurtenis, toont een raadselachtige foto of video, ...
• Activeert voorkennis van de leerlingen
• Stimuleert de leerlingen om te
observeren en om interessante vragen te formuleren
• Helpt leerlingen om een goede kernvraag te formuleren
• Proberen een eerste indruk te krijgen van het fenomeen
• Stellen vragen (Waarom ...? Hoe ...? ...)
• Formuleren een kernvraag.
Resultaat: gemotiveerde leerlingen, een kernvraag
De kernvraag wordt meestal door de leraar voorbereid. Hij/zij stuurt dan de vragen van de leerlingen in die richting. Maar volledig open onderzoek is ook mogelijk. De kernvraag wordt dan volledig bepaald door de interesse van de leerlingen.
5.3.1.2 Explore
De leerlingen zijn nu gemotiveerd om de kernvraag te onderzoeken. Tijdens deze fase doorlopen de leerlingen een reeks activiteiten die zo zijn ontworpen dat ze hun eigen
inzichten kunnen opbouwen en een gemeenschappelijke ervaring kunnen hebben die later in de Explain-fase kan worden besproken. De Explore-fase moet zo concreet mogelijk zijn.
Afhankelijk van de beschikbare materialen kan men demonstraties of groepswerk gebruiken.
Ook kunnen handboeken of andere bronnen worden gebruikt waarin de leerlingen antwoorden op hun vragen vinden. Het doel van de exploratie is de kernvraag te beantwoorden. Maar tijdens deze fase worden vaak extra vragen geformuleerd.
De rol van de leraar in de verkenningsfase is die van begeleider of coach. Natuurlijk moet de leraar zich bewust zijn van de moeilijkheden die leerlingen moeten overwinnen om de
kernvraag te beantwoorden. De leraar is op de hoogte van de ideeën van studenten, initieert de activiteiten, stelt hulpvragen en biedt de leerlingen tijd en gelegenheid om materialen of modellen zo veel mogelijk zelfstandig te onderzoeken.
Activiteiten leraar Activiteiten leerlingen
• Levert de materialen en de tijd die de leerlingen nodig hebben om antwoorden te vinden (bijvoorbeeld via
experimenten, foto's of films,
handboeken, reeds gekende modellen, ...)
• Stimuleert observatie door observatievragen te stellen
• Stimuleert het denken door denkvragen te stellen.
• Coacht de leerlingen
• Verkennen de aangeleverde materialen
• Proberen antwoorden te formuleren op de kernvraag of formuleren nieuwe vragen als ze zich voordoen
Resultaat: schriftelijke rapporten of tekeningen van leerlingen, eerste antwoorden op de kernvraag, extra vragen van de leerlingen, ...
5.3.1.3 3. Explain
In deze fase vraagt de leraar eerst aan de leerlingen om hun inzichten te verwoorden en te bediscussiëren met elkaar. Nadien introduceert de leraar wetenschappelijke of technologische verklaringen op een directe, expliciete en formele manier zodat die kunnen vastgezet worden.
De leraar moet het eerste deel van deze fase baseren op de uitleg van de studenten en deze uitleg duidelijk koppelen aan ervaringen opgedaan tijdens de explore fase. De leraar moet de leerlingen aanmoedigen om hun uitleg aan de experimentele bewijzen en de reeds bekende modellen te koppelen.
Activiteiten leraar Activiteiten leerlingen
• Vraagt de uitleg van de leerlingen
• Stelt denkvragen door de leerlingen hun verklaringen te laten onderbouwen.
Ofwel via de experimentele data, ofwel via reeds gekende modellen
• Helpt de leerlingen om een correcte verklaring bondig neer te schrijven
• Formuleren hun antwoorden
• Luisteren naar de antwoorden van andere leerlingen en helpen hen om het wetenschappelijk correcte antwoord te vinden
• Noteren het correcte antwoord en de bijhorende data en modellen
Resultaat: Neergeschreven antwoorden op de vragen, leerlingen begrijpen de antwoorden
5.3.1.4 4. Elaborate of Extend
Zodra de leerlingen hun inzichten/vaardigheden verworven hebben, is het belangrijk om deze verder uit te diepen via nieuwe ervaringen die de nieuwe concepten of vaardigheden
uitbreiden of uitwerken. We kiezen hiervoor nauw verwante maar nieuwe situaties. In sommige gevallen kunnen de leerlingen nog steeds misvattingen hebben, of kunnen ze een concept alleen begrijpen in termen van de reeds verkende ervaring.
Tijdens deze fase kunt u de leerlingen ook betrekken bij discussies of zelf informatie over de aanverwante fenomenen laten opzoeken. Generalisatie van de nieuwe concepten en
vaardigheden is het primaire doel.
Activiteiten leraar Activiteiten leerlingen
• Daagt de leerlingen uit met nieuwe problemen, experimenten, afwijkende gebeurtenissen, ...
• Coacht de leerlingen bij het oplossen van de vragen
• Passen hun begrip toe op de nieuwe uitdagingen
• Gebruiken alle beschikbare bronnen (leraar, leerlingen, handboeken, externe experts) om de uitdagingen op te lossen.
Resultaat: opgeloste uitdagingen, leerlingen met een dieper inzicht
5.3.1.5 5. Evaluate
Hier evalueren we de inzichten/vaardigheden die ze hebben verworven. De leerlingen krijgen de gepaste feedback over de correctheid van hun uitleg of over de nauwkeurigheid en
effectiviteit van hun vaardigheden. Evaluatie gaat niet alleen over het evalueren van de leerlingen, maar ook over het evalueren van het lesgebeuren. De leraar krijgt feedback van de leerlingen over wat ze hebben geleerd. Die informatie kan worden gebruikt om het lesplan in de toekomst te verbeteren.
Activiteiten leraar Activiteiten leerlingen
• Geven de leerlingen enkele testvragen
• Observeert hoe leerlingen deze vragen oplossen
• Passen hun inzichten en vaardigheden toe op de testvragen
• Analyseren hun fouten en proberen hieruit nog verder te leren
• Gebruikt de testresultaten om de
leerlingen feedback te geven en om hun eigen lessen te verbeteren.
Resultaat: testresultaten, feedback voor zowel docenten als studenten
5.3.2 Voorbeeld
• Excite & Engage
o Leraar zorgt voor een staand ei. Leerlingen krijgen in kleine groepjes ook een ei en proberen het zelf uit.
§ Het is mogelijk!
§ Maak een link met ‘Het ei van Columbus?’ (zoek eventueel op)
§ Er kan veel meer dan we denken:
• youtu.be/-hmKNNTT_CE o Verzamel vragen op bord
§ Waarom-vragen
§ Onderzoekbare vragen
• Explore
o Groepsopdracht: Teken de krachten in een situatie waarbij het ei blijft staan en ook in de situatie waarbij het ei kantelt.
§ 1 groep brengt hun tekening aan het bord. De andere groepen formuleren opmerkingen en suggereren verbeteringen.
o Leraar brengt ‘indien nodig’ extra begrippen aan of herhaalt die: steunpunt versus steunvlak, zwaartepunt, stabiel, labiel en onverschillig evenwicht o Open opdracht
§ Kies een haalbare vraag van de lijst met vragen
§ Elk groepje probeert een vraag te beantwoorden.
§ Je mag alle bronnen/hulpmiddelen gebruiken.
• Explain
o Groepen stellen hun antwoorden voor. Deze worden kritisch geëvalueerd door de andere groepen.
o De leraar vat de correcte antwoorden samen en brengt de juiste figuren/verklaringen nog eens aan bord.
o https://www.eoswetenschap.eu/natuurwetenschappen/hoe-mogelijk-het- onmogelijke
• Elaborate
o Verklaar in groep waarom je meerdere voorwerpen op elkaar kan zetten? (Zie:
https://www.youtube.com/watch?v=l5t3jFttDu8)
o Groepen stellen hun antwoorden voor. Deze worden kritisch geëvalueerd door de andere groepen.
• Evaluate
o Waarom blijft een ei veel gemakkelijker staan als je wat zout op de tafel legt?
5.3.3 5 E’s & denk- of werkwijzen
Opdracht: Koppel de 5E’s aan de verschillende denk- en werkwijzen. Plaats elke denk- of werkwijze in één of meerder E-fases. Breng de resultaten aan bord en bediscussieer.
5.4 VZW WINADOE
Zie workshop in klas en users.telenet.be/Winadoe.
