Samenhang als probleem
Uit evaluatieonderzoek van de Inspectie van het Onderwijs (1999a, b, c) en het Tweede Fase Adviespunt (2001) is de afgelopen jaren duidelijk geworden dat we voor de natuurwetenschappelijke vakken in het voortgezet onderwijs te maken hebben met twee ernstige problemen: overladenheid en een tekort aan samenhang. Overladenheid van de programma’s betekent dat er door de examenprogramma’s, sectieafspraken en het hanteren van de methode als leergang, te veel in te weinig tijd moet (Boersma, 2002). In de basisvorming wordt op de meeste scholen niet alle leerstof aangeboden die volgens de kerndoelen moet worden aangeboden en in de tweede fase wordt veel leerstof aangeboden op een manier die niet aan professionele standaards (van leraren) voldoet. Zo blijkt sinds de invoering van het studiehuis minder practicum gedaan te worden dan daarvoor.
Deze bijdrage richt zich op het tweede probleem: de te geringe samenhang van het programma. Daarbij moeten we een onderscheid maken tussen samenhang binnen vakken, samenhang tussen vakken en samenhang in longitudinaal perspectief. Deze drie aspecten van samenhang kunnen niet los van elkaar worden gezien (Biologische Raad, 2002). Verondersteld kan worden dat de overladenheid van het programma een negatieve invloed heeft op de samenhang van dat programma. Het tekort aan samenhang leidt er toe dat veel leerlingen niet in staat zijn om wat in de ene vakcontext is geleerd toe te passen in een andere vakcontext of in de context van een ander vak. Voor het natuurwetenschappelijk onderwijs is transfer binnen het eigen vak, tussen de vakken en tussen vakken en leefomgeving noodzakelijk omdat die kennis in veel gevallen voorwaardelijk is om verder te leren en de betekenis van veel natuurwetenschappelijke kennis voor leerlingen pas zichtbaar wordt door toepassing in de eigen leefomgeving. Idealiter zou de hele natuurwetenschappelijke vorming van leerlingen moeten bestaan uit een aantal onderling samenhangende leerlijnen. In figuur 1 is een leerlijn voor natuurwetenschappelijke vorming afgebeeld, bestaand uit leerlijnen voor natuurkunde, biologie, scheikunde, wiskunde, techniek, aardrijkskunde en verzorging.
De vraag is nu hoe een longitudinaal programma zoals afgebeeld in figuur 1 zou kunnen worden uitgewerkt. Daarvoor moeten we over een aantal criteria beschikken waarmee transversale en longitudinale samenhang kan worden uitgewerkt. Met transversale samenhang bedoel ik dan samenhang tussen en binnen vakken binnen een korte periode, en met longitudinale samenhang de samenhang over meerdere leerjaren.
Transversale samenhang
Bij het uitwerken van transversale samenhang is het nuttig een onderscheid te maken tussen volgtijdelijke samenhang en thematische samenhang. Beide vormen van samenhang zijn bekend en de criteria die er voor worden gehanteerd eveneens.
Bij volgtijdelijke samenhang gaat het er om dat een deel van de leerstof, of een deel van de leerstof van het ene vak, door leerlingen gehanteerd moet kunnen worden voordat een ander deel van de leerstof, of een deel van de leerstof van een ander vak, kan worden aangeboden. Figuur 2 laat een voorbeeld van volgtijdelijke samenhang zien, waarbij enige biologische voorkennis van het oog vereist is wil bij natuurkunde met succes op de werking van brillen kan worden ingegaan. De meeste natuurkundeleraren lossen dit probleem overigens niet op door afspraken te maken met hun biologiecollega, maar door zelf de vereiste biologische voorkennis aan te bieden. In natuurkundemethoden wordt veelal aandacht besteed aan de werking van het oog. Andersom besteden biologiemethoden ook aandacht aan energie en aan eiwitten, op het moment dat deze fysische en chemische kennis noodzakelijk is voor de verdere opbouw van de biologische kennis. De vraag is natuurlijk of het verstandig is om het probleem van volgtijdelijke samenhang alleen aan auteurs van methoden over te laten en of het geen voorkeur verdient om op school met collega’s van andere vakken afspraken te maken over het moment en wijze waarop noodzakelijke biologische, fysische of chemische voorkennis wordt aangeboden.
Om de volgtijdelijke samenhang tussen natuurkunde en biologie (en scheikunde) te bepalen moeten we de volgende vragen beantwoorden:
Bij thematische samenhang wordt vanuit een of meerdere schoolvakken een bijdrage geleverd aan de uitwerking van een voor leerlingen relevant thema. Figuur 3 laat een voorbeeld zien van thematische samenhang van een thema over weer en klimaat voor de basisvorming. Achtereenvolgens zou het thema kunnen worden uitgewerkt met bijdragen vanuit natuurkunde, aardrijkskunde, biologie en scheikunde.
Als we thematische samenhang in een programma willen uitwerken zullen de volgende twee vragen moeten worden beantwoord:
Longitudinale samenhang
Als we longitudinale samenhang in de natuurwetenschappelijke programma’s willen uitwerken, moeten we over een aantal criteria beschikken om inhouden over langere perioden te ordenen. Gezien het ontwikkelingspsychologische onderzoek dat de afgelopen 40 jaar is gedaan ligt het niet voor de hand om deze criteria rechtstreeks te ontlenen aan gepostuleerde ontwikkelingsfasen, omdat de fasen — zoals uit de theorie van Piaget — niet altijd even goed in de ontwikkeling van individuele leerlingen zijn te herkennen. De ontwikkeling van kinderen wordt in sterke mate bepaald door de contexten waar zij aan deelnemen en door de specifieke kennis en ervaring die zij daarbinnen verwerven.
In plaats daarvan lijken drie criteria geschikt om ordeningen over langere perioden uit te werken: contexten, de relatie tussen empirische en theoretische kennis, en relaties tussen macro en micro. Deze drie criteria worden nu nader uitgewerkt.
Gedurende hun schoolloopbaan maken leerlingen deel uit van een aantal verschillende contexten. Contexten worden daarbij opgevat als cultuurhistorisch bepaalde sociale praktijken (vgl. huisartsenpraktijk) (Van Aalsvoort, 2000; Van Oers, 1998). Als we uitgaan van de buitenschoolse praktijken waar leerlingen tijdens hun schoolloopbaan aan deelnemen, of waar zij zich gedurende hun schoolloopbaan op oriënteren, zouden we ons kunnen richten op de in figuur 4 weergegeven contexten voor respectievelijk basisschoolleerlingen, leerlingen in de basisvorming en leerlingen in de tweede fase.
Als we van deze contexten uit zouden gaan, zou voor iedere context de volgende vraag moeten worden beantwoord:
Het tweede criterium is kennistheoretisch van aard en heeft betrekking op de relatie tussen empirische en theoretische kennis (Boersma & Thijssen, 1991). De relaties tussen beide zijn afgebeeld in figuur 5.
Kernpunt daarbij is dat theoretische kennis niet uit empirische kennis (generalisaties en wetmatigheden) kan worden ontleend; daarvoor is een idee van buitenaf noodzakelijk (metafoor, theorie uit een andere discipline). Pas als een eerste theoretisch kader is ontwikkeld en op basis van deductie verklaringen zijn gegeven voor reeds bekende generalisaties en wetmatigheden, kunnen voorspellingen worden gedaan die empirisch toetsbaar zijn en kan de theorie verder worden ontwikkeld. Een mooi voorbeeld daarvan is de theorie van natuurlijke selectie van Darwin. Pas twintig jaar na zijn reis met de Beagle naar Zuid-Amerika, waar hij zoals uit zijn dagboeken blijkt veel empirische kennis verwierf, publiceerde hij in 1859 The Origin of Species. Zijn omvangrijke biologische en geologische kennis leidde echter niet tot een verklaring van evolutie. Ideeën daarvoor ontleende hij aan de theorie van Malthus over exponentiële groei en het fokken van paarden en honden. Sindsdien is de theorie van natuurlijke selectie experimenteel getoetst en is het theoretische kader sterk uitgebreid en (uiteraard) veelvuldig bekritiseerd.
De veronderstelling is nu dat de cognitieve ontwikkeling van leerlingen op analoge wijze verloopt als de wijze waarop wetenschappelijke kennis wordt verworven. Dat betekent in de eerste plaats dat het voor leerlingen niet relevant is een theorie leren als zij niet beschikken over de empirische kennis waarover die theorie uitspraken doet. En in de tweede plaatst betekent dat dat zij die theorie niet zelf kunnen ontwikkelen op basis van generalisaties. De leraar (of de methode) moet hen een theorie aanbieden, ook al kunnen ze de relevantie op het moment zelf nog niet altijd goed beoordelen. Daar komt bij dat, zolang leerlingen het niet vanzelfsprekend vinden een verklaring voor verschijnselen te kunnen geven, het de vraag is of het wel zin heeft hen theorie aan te bieden. Resumerend betekent dat dat achtereenvolgens moeten worden aangeboden:
In figuur 6 en 7 is aangegeven in hoeverre deze kenniscyclus voor het onderwerp geluid is uitgewerkt in twee natuurkundemethoden voor aanvankelijk natuurkundeonderwijs: Natuurkunde op corpusculaire grondslag (Schweers & Van Vianen, 1970) en Natuur-en scheikunde Overal (Hogenbirk et al., 2000).
In de methode Natuurkunde op corpusculaire grondslag wordt na een inleidend hoofdstuk direct elementaire deeltjestheorie geïntroduceerd. De verschijnselen die daarna worden behandeld worden dan ook in dat perspectief geplaatst. Aan de behandeling van geluid gaat een uitgebreide behandeling van licht vooraf. Daarbij worden steeds generalisaties en wetmatigheden op basis van waarnemingen ontwikkeld. Uiteindelijk wordt dan echter de vraag gesteld of de deeltjestheorie ook van toepassing is op licht. Geconstateerd wordt dan dat dat niet volledig het geval is, waarna de golftheorie wordt uitgewerkt. Deze theorie wordt dan in een aantal proeven getoetst en daarna bevestigd. Pas dan, helemaal achteraf, komt geluid aan de orde. Met behulp van een paar proeven wordt dan geconcludeerd dat geluid een trillingsverschijnsel is; impliciet wordt er dan van uit gegaan dat ook op geluid de golftheorie van toepassing is.
De kritiek op deze benadering is dat prematuur deeltjestheorie wordt aangeboden, voordat leerlingen op systematische wijze empirische kennis van fysische verschijnselen hebben verworven. Bij de opbouw van het onderwerp licht wordt overigens de deeltjestheorie in eerste instantie achterwege gelaten. De toetsing van deeltjestheorie bij verklaring van lichtverschijnselen lijkt prima, evenals de noodzaak die ontwikkeld wordt om een alternatieve theorie, i.c. de golftheorie, te introduceren. Te weinig wordt tot slot het golfkarakter van geluid geëxpliciteerd.
In de methode Natuur- en scheikunde Overal wordt alleen empirische kennis over geluid aangeboden. Op grond van enkele voorbeelden van geluid wordt het begrip geluidsbron (een generalisatie) geïntroduceerd, waarna de vraag gesteld wordt wanneer een geluidsbron geluid maakt. Dat leidt tot een aantal eenvoudige proeven met geluidsbronnen, waaraan de empirische begrippen toonhoogte en volume worden ontleend. Tot slot wordt geconcludeerd, en dat is een mooi voorbeeld van een wetmatigheid, dat hoe korter de snaar of luchtkolom is, hoe hoger de toonhoogte van het geluid is.
Deze behandeling van het onderwerp geluid leidt er toe dat empirische kennis over geluid goed wordt opgebouwd. Er wordt geen poging gedaan om geluid met golftheorie te verbinden en dat lijkt, gezien de geringe theoretische belangstelling van de meeste leerlingen op die leeftijd, een verstandige keuze.
Een derde criterium voor longitudinale opbouw kunnen we ontlenen aan de relatie tussen beschrijvingen op microniveau en macroniveau en de leerproblemen die leerlingen daarmee kunnen hebben. Dit criterium sluit aan bij het vorige, maar is gedeeltelijk ook leerpsychologisch van aard.
Vanuit de natuurkunde bezien is het macro-microprobleem (Lijnse et al., 1990) tweeledig. In de eerste plaats gaat het om de relatie tussen objecten en verschijnselen op macroniveau en de corpusculaire verklaringen en modellen die bij verklaring daarvan worden gehanteerd. In de tweede plaats gaat het echter ook om de relatie tussen astronomische structuren en microscopische verklaringen (Schilling, 1997). De geaccepteerde opvatting daarbij is dat evolutionair gezien de astronomische structuren na de ‘big bang’ ontstaan zijn uit klonterende subatomaire deeltjes. De natuurkunde richt zich overigens pas de laatste tien jaar in sterke mate op de natuurkunde van objecten als organismen.
In de biologie wordt het macro-microprobleem anders uitgewerkt. Het is gebruikelijk een aantal organisatieniveaus te onderscheiden, zowel hoger als lager dan organismen. In figuur 8 is aangegeven welke niveaus binnen de biologie, natuurkunde en scheikunde worden onderscheiden.
Het leerpsychologische probleem voor de natuur- en scheikunde is nu dat leerlingen verklaringen op microniveau moeten leren hanteren voor verschijnselen op macroniveau. Dat levert in veel gevallen veel problemen op en voor veel leerlingen spreekt het niet vanzelf dat moleculen niet dezelfde eigenschappen hebben als stoffen. Het heeft geen zin deeltjesverklaringen aan te bieden als leerlingen onvoldoende ervaring met stoffen en objecten hebben. Bovendien moeten leerlingen kunnen zien dat moleculen niet opgevat moeten worden als kleine objecten, maar als op basis van een deeltjestheorie gepostuleerde modellen die over geïdealiseerde eigenschappen beschikken.
In de biologie is er inmiddels voldoende reden om aan te nemen dat het vanuit het leerproces van leerlingen bezien gewenst is om vanuit het organismale niveau af te dalen naar lagere organisatieniveaus of op te stijgen naar hogere organisatieniveaus (voortdurend onder terugkoppeling naar het organisatieniveau van waaruit wordt afgedaald of opgestegen) (Knippels, 2002). Bij de overstap van het organismale niveau naar hogere organisatieniveaus doet zich het probleem voor dat de systeemgrenzen niet zichtbaar zijn en er, net als bij de overstap naar het moleculaire niveau, gebruik gemaakt moet worden van een model om interactie tussen de constituerende componenten van het systeem te kunnen zien. Pas de aarde als geheel heeft als systeem weer duidelijke systeemgrenzen.
In de biologie neemt de complexiteit nog toe doordat in toenemende mate organismen en ecosystemen met behulp van moleculaire technieken worden bestudeerd. Bijvoorbeeld bij onderzoek naar de stikstofhuishouding van ecosystemen. Als we leerlingen de stikstofkringloop van een ecosysteem willen aanbieden moeten ze zowel het begrip ecosysteem als het deeltjesbegrip kunnen hanteren, als over enige elementaire chemische voorkennis beschikken.
Resumerend zouden we leerlingen achtereenvolgend de volgende stappen moeten aanbieden:
Als we de hierboven beschreven criteria verder uitwerken ligt het voor de hand om een aantal leerlijnen te ontwikkelen, waarin onder meer de noodzakelijke relaties tussen de verschillende natuurwetenschappelijke vakken worden afgebeeld.
In figuur 9 is het eerste deel van een leerlijn transport afgebeeld1. Op basis van het begrip stof, leefwereldkennis van het begrip transport en corpusculair denken ontwikkelen leerlingen het begrip transport op organismaal niveau. Daarbij wordt het begrip transport eerst op macroniveau uitgewerkt en daarna, als leerlingen over voldoende corpusculaire kennis beschikken, ook op microniveau. Vanuit het begrip transport op organismaal niveau kan ook het meer algemene begrip ‘organisme als open systeem’ worden ontwikkeld. Daarmee is vervolgens de basis gelegd voor transport op lagere en hogere organisatieniveaus.
Biologie en natuurkunde?
In het voorafgaande is er impliciet vanuit gegaan dat fysische en biologische kennis op elkaar kunnen aansluiten. De vraag is echter of dat wel zomaar kan en of we er wel van uit kunnen gaan dat biologische en fysische kennis compatibel zijn.
Enerzijds kunnen we constateren dat de moderne biologie zich richt op studie van open, zichzelf regulerende systemen met een hoge mate van complexiteit. Daarbij wordt geaccepteerd (al is het lastig) dat we in veel gevallen te maken hebben met multicausale oorzaak-gevolg relaties. Bovendien ontstaan de systemen die in de biologie worden bestudeerd door zelforganisatie. Kortom, in de biologie is sprake van een sterke neiging te zoeken naar holistische beschrijvingen.
Anderzijds kunnen we constateren dat de natuurkunde, en dat geldt zeker voor de natuurkunde die op school wordt aangeboden, zich richt op gesloten systemen. Veel modern fysisch onderzoek is gericht op het vinden van unificerende verklaringen, op het herleiden van de vier basiskrachten in het universum tot één kracht die de verklaring is voor alles. De natuurkunde heeft dan ook een sterke neiging om naar monocausale verklaringen te zoeken. Het uitgangspunt daarbij is strikt reductionistisch: verklaringen worden gevonden in de wijze waarop processen op microniveau verlopen.
De vraag is opnieuw hoe compatibel holistische biologische kennis en reductionistische natuurkundige kennis is. Kijken beide op een fundamenteel verschillende wijze naar de werkelijkheid? Sluiten ze elkaar uit? Of vullen ze elkaar aan? Voorgesteld is wel om holisme en reductionisme als elkaar veronderstellende wijzen van denken te beschouwen (Hofstadter & Dennett, 1985) (zie figuur 10).
Afgezien van de mogelijke relatie tussen beide beschouwingswijzen is er nog wel iets af te dingen op het gesuggereerde onderscheid tussen biologie en natuurkunde.
In de eerste plaats is het goed te benadrukken dat in grote delen van de biologie, met name in de fysiologie en moleculaire celbiologie, met veel succes gebruik gemaakt wordt van reductionistische redeneringen en daarbij passende moleculaire technieken (KNAW, 1997).
In de tweede plaats is het goed te benadrukken dat ook in de natuurkunde de belangstelling voor complexe systemen is toegenomen. Dynamische systeemtheorie (of: chaostheorie) is niet alleen voor biologen van belang, maar ook voor chemici en fysici. In Duitsland heeft dat er bijvoorbeeld al toe geleid dat voor het reguliere natuurkundeonderwijs een leseenheid over chaostheorie is ontwikkeld (Duit et al., 1997). Met andere woorden, als er al een probleem is met betrekking tot de compatibiliteit van beide benaderingswijzen ligt dat probleem niet tussen de natuurkunde en de biologie, maar binnen de biologie en binnen de natuurkunde. Het zou de voorkeur verdienen als het probleem van de compatibiliteit van beide benaderingswijzen voor het onderwijs werd opgelost door biologen en natuurkundigen (en chemici) gezamenlijk.
Tot slot
De ontwikkeling van samenhangend natuurwetenschappelijk onderwijs is geen eenvoudige opgave. Het vraagt ook om condities die momenteel in veel scholen voor voortgezet onderwijs niet of maar met moeite kunnen worden gerealiseerd. In Utrecht zijn we van mening dat scholen, dat wil zeggen schoolleiding en docenten van de natuurwetenschappelijke secties, in belangrijke mate zelf zullen moeten bepalen hoe zij die samenhang willen uitwerken, op een wijze die past bij hun school en eigen opvattingen. Dat betekent echter wel dat op school afspraken moeten worden gemaakt over transversale en longitudinale samenhang en dat daarbij methoden worden geselecteerd die dat mogelijk maken. Dat kan er toe leiden dat op sommige scholen in de basisvorming science (of natuurwetenschap) op het rooster komt te staan en op andere scholen de gescheiden vakken natuur-/scheikunde en biologie. In de tweede fase kan dat betekenen dat concrete afspraken gemaakt worden over moment en wijze waarop voor andere vakken noodzakelijke voorkennis wordt aangeboden, of dat gezamenlijk onderwerpen als energie worden aangeboden.
De ontwikkeling van samenhangend natuurwetenschappelijk onderwijs zien we dan ook als een complexe, tijdrovende onderneming die alleen in kleine stapjes kan worden gerealiseerd. In de meeste gevallen zal het dan ook om een langdurige inspanning vragen, van leraren, scholen, overheid en ondersteuners. De tien jaar die het zou kunnen kosten zijn echter wel besteed. We kunnen verwachten dat het rendement zich voor leerlingen zal uitbetalen. Een ononderbroken leerweg moet leiden tot transfer tussen contexten, tussen de context van het ene vak en die van het andere vak, tussen vakcontexten en contexten die gedefinieerd worden door praktijken waar leerlingen aan deelnemen. Daarbij gaat het zowel om de samenhang tussen de natuurwetenschappelijke vakken als om hun identiteit. Pas als leerlingen zich realiseren waarin de identiteit van de natuurkunde verschilt van de identiteit van de biologie (en scheikunde) kunnen zij uitspraken doen over relaties tussen de vakken.
Literatuur
Aalsvoort, J.van (2000). Chemistry in Products. A cultural-historical approach to initial chemical education. Proefschrift Universiteit Utrecht.
Biologische Raad (2002). Biologieonderwijs: een vitaal belang. Concept-advies. Amsterdam: Biologische Raad.
Boersma, K.Th. (2002). Moet er meer dan er kan? Niche 33 (6), 12-16.
Boersma, K.Th. & Thijssen, G. (1991). Ontwerpregels als product van leerplanontwikkeling. Enschede: SLO.
Duit, R., Komorek, M. & Wilbers, J. (1997). Studies on Educational Reconstruction of Chaos Theory. Research in Science Education,27(3), 339-357.
Hofstadter, D.R. & Dennett, D.C. (1985). De spiegel van de ziel. Amsterdam: Uitgeverij Contact.
Inspectie van het Onderwijs (1999a). Werk aan de basis. Evaluatie van de basisvorming na vijf jaar. Den Haag: SDU.
Inspectie van het Onderwijs (1999b). Biologie in de basisvorming. Evaluatie van de eerste vijf jaar. Den Haag: SDU.
Inspectie van het Onderwijs (1999c). Natuur-scheikunde in de basisvorming. Evaluatie van de eerste vijf jaar. Den Haag: SDU.
KNAW (1997). Biologie: het leven centraal. Eindrapport van de Verkenningscommissie Biologie. Amsterdam: KNAW.
Knippels, M.C.P.J. (2002). Coping with the abstract and complex nature of genetics education. The jojo-strategy. Utrecht: CDß-Press. (proefschrift Universiteit Utrecht)
Hogenbirk, P.G.et al. (2000). Natuur- en scheikunde Overal. Houten: EPN.
Lijnse, P.L., Licht, P., Vos, W. de & Waarlo, A.J. (Eds.) (1990). Relating microscopic phenomena to microscopic particles. A central problem in secondary science education. Proceedings of a seminar. Utrecht: Universiteit Utrecht, CDß-Press.
Oers, B. van (1998). From Context to Contextualizing. Learning and Instruction, 8, 473-488.
Schilling, G. (1997) Klein en groot. De wonderlijke relatie tussen micro- en macrokosmos. Amsterdam/Antwerpen: Uitgeverij Contact.
Schweers & Van Vianen (1970). Natuurkunde op corpusculaire grondslag. Den Bosch: Malmberg.
Tweede Fase Adviespunt (2001). De implementatie van de vernieuwingen in de Tweede Fase van havo en vwo. Eindverslag van de schoolbezoeken van het Tweede Fase Adviespunt. Zoetermeer: OCenW.