Conceptfysica

Werkgroep 11

M. Debusschere

Deel 1 Theoretische achtergronden

1 Een visie op kinderen en jongeren

Veel jongeren hebben moeite met het begrijpen van ideeën die de wetenschap hen aanbiedt. Het is op een vaak verwarde manier dat ze ons wijzen op het grootste probleem in wetenschap- en vooral fysicaonderwijs: ze denken er anders over.

De informatie die een leerkracht doorgeeft aan een leerling komt op de één of andere manier in conflict met denkbeelden van de leerling.

Dat impliceert dat leerlingen er wel over denken, onderzoek leert dat dat inderdaad zo is. Kinderen en jongeren ontwikkelen verklaringen voor natuurlijke verschijnselen, ze creëren een wereldbeeld lang voor ze op school met de wetenschappelijke interpretatie van die verschijnselen kennis maken. Vaak komen hun ideeën in conflict met de wetenschappelijke visie die ze op school leren kennen.

Uit onderzoek volgt bovendien dat men deze kennis niet mag beschouwen als een verzameling losstaande misvattingen. Deze ideeën vormen een onderdeel van een voor hen coherent wereldbeeld. Dit wereldbeeld blijkt persistent tot op volwassen leeftijd, ondanks formeel onderricht.

De volgende symbolische voorstelling vat voorgaande mooi samen: het beeld van de leerling is dus niet het lege hoofd dat wij als leerkracht met nieuwe informatie vullen, maar het gevulde hoofd. Wij kunnen proberen een wereldbeeld te wijzigen naar het wetenschappelijke wereldbeeld.

Het wereldbeeld van kinderen komt op verschillende manieren tot stand.

• Via ervaringen die ze hebben met allerlei alledaagse verschijnselen. Wat gebeurt er als je een voorwerp laat vallen? Wanneer je duwt, trekt, werpt. Hoe vallen voorwerpen, hoe bewegen ze? Een voorbeeld: Een 9-jarige jongen merkt op dat pas enkele seconden nadat de stereo is afgezet, het geluid verdwijnt. Zijn conclusie: ‘Er moet vele kilometers draad in een stereo zitten. Het duurt dan ook even voor de elektriciteit door heel die draad is gestroomd’. Zonder enige vorm van onderricht heeft deze jongen een theorie: er is elektriciteit nodig om het geluid te produceren; elektriciteit stroomt door draden; elektriciteit stroomt snel. Een ander voorbeeld: Kinderen spelen al vanaf zeer jonge leeftijd met een bal. Na een tijdje kennen ze het traject van de bal en kunnen ze hem met succes opvangen. Toch zullen ze pas later leren praten en nog veel later dit verschijnsel binnen de kinematica bestuderen.
• Via de taal: kinderen en jongeren horen verklaringen, lezen over verschijnselen. We zullen later zien dat taal soms eerder een hinder dan een hulp kan zijn bij het vormen van een wetenschappelijk wereldbeeld.

2. Kennisopbouw en kennisvorming als sociaal proces

De laatste jaren wordt er een toenemend belang gehecht aan ‘interactie’ binnen het leerproces: ‘Leren’ gebeurt niet in een sociaal vacuüm. Kinderen gebruiken hulpmiddelen zoals taal, cultuur, … om tot bepaalde denkpatronen en bepaalde beeldvorming te komen. Het model dat leerlingen gebruiken wijzigt bijvoorbeeld wanneer ze binnen de klas hun persoonlijke ideeën toetsen aan het model dat andere leerlingen gebruiken.

Een voorbeeld ter illustratie: er wordt aan een groep engelse 13-jarigen gevraagd om een model te ontwerpen dat de eigenschappen van water, ijs en stoom verklaart. Na een inleiding waarin onder andere het begrip molecule wordt aangebracht, concentreert een groepje leerlingen zich op de vraag wat een ‘binding’ eigenlijk is. We volgen hun gesprek.

Deze discussie heeft een belangrijk resultaat: Leerlingen hebben hun kennis samengebracht en zijn tot een aantal besluiten gekomen. Ze hebben een model opgesteld: deeltjes bewegen, de trilling neemt toe met de temperatuur, de kracht tussen de deeltjes is constant aanwezig.

De rol die de leerkracht in dit proces speelt is zeer groot. Discussie onder begeleiding van een mentor biedt een geschikt forum om:

• impliciet aanwezige ideeën expliciet te maken,
• personen de kans te geven hun ideeën te verwoorden en te verduidelijken
• op ideeën van elkaar voort te bouwen
• tot oplossingen te komen.

Wetenschappelijk onderzoek toont aan dat het proces dat uiteindelijk resulteert in het ‘begrijpen’ op gang wordt gebracht op het moment dat een persoon de kans krijgt om zijn/haar ideeën te reorganiseren en dat kan bijvoorbeeld door te luisteren naar anderen of door zelf te spreken.

Een leeratmosfeer is dus niet de atmosfeer van een geordend klaslokaal waar leerlingen enkel in stilte werken. Ook niet een klaslokaal waar leerlingen enkel experimenten uitvoeren maar een klas waar er ruimte is voor de derde component: interactie tussen leerkracht en leerlingen. Geanimeerde discussie tussen leerlingen en de leerkracht lijkt het meest perspectief te bieden op vruchtbare wetenschapslessen.

3. De aard van wetenschap en de gevolgen voor onderwijzen en leren van wetenschap

3.1. Ontstaan van wetenschappelijke ideeën.

3.1.1. Een proces

De manier waarop jonge mensen tot bepaalde inzichten komen is een weerspiegeling van de manier waarop wetenschappelijke ideeën in het algemeen ontstaan: interactie tussen individuen en fenomenen, communicatie, controle door instellingen binnen de wetenschap,

Een voorbeeld: de aanloop naar het atoommodel van Bohr.

Wij verwachten van onze leerlingen dat ze deze evolutie versneld doormaken. Decennia, soms eeuwen kennisopbouw worden gecomprimeerd in één schooljaar.

Het is voor leerlingen vanzelfsprekend niet mogelijk om bijvoorbeeld enkel vanuit wat gefragmenteerd experimenteel werk tot wetenschappelijke visies te komen. Ze moeten de kans krijgen om de verschillende stappen in het proces te doorlopen. Naast experimenteel werk, moeten leerlingen ook kennis krijgen van de modellen en de concepten die de wetenschap gebruikt. Ze moeten in interactie met medeleerlingen en de leerkracht kunnen treden.

De uitdaging van de leerkracht bestaat erin te proberen het natuurlijke proces te versnellen. Hij of zij moet leerlingen helpen die modellen op te bouwen, zich die modellen eigen te maken, de beperktheid van die modellen in te zien en ze toe te passen. In het proces is de leerkracht een begeleider en organisator.

Hij of zij is een specialist in het voorzien van passende experimenten, in het aanbieden en becommentariëren van theoretische modellen.

De wetenschappelijke methode is een opeenvolging van het doen van waarnemingen, het ordenen van gegevens, het opstellen van een theorie, het toetsen van deze theorie in een experiment, het aanpassen van het model enzovoort. De relatie tussen theorie en bewijsvoering is niet enkel een typisch kenmerk van de wetenschappelijke methode, het is eveneens een belangrijk kenmerk van het leerproces dat kinderen en jongeren doormaken. Op dezelfde manier zullen waarnemingen en ervaringen van kinderen een organiserende functie hebben in het opbouwen van kennis en in de interpretatie van nieuwe informatie.

3.1.2. Kennis van het proces

Het is belangrijk dat leerlingen weten hoe wetenschappelijke theorieën ontstaan om verscheidene redenen:

• ze onderkennen het belang van het uitwisselen en het bespreken van ideeën,
• ze ontdekken dat wetenschappelijke ideeën evolueren,
• hun zelfvertrouwen om ideeën uit te proberen en te testen, groeit.

Voorgaande staat in schril contrast met het objectieve, definitieve en statische beeld van de wetenschap dat vaak vanuit handboeken blijkt: onfeilbare wetenschap afkomstig uit het empirisch onderzoek van één persoon.

3.2. Experimenteel werk

‘Wetenschap leren door het te doen’. De theorie is eenvoudiger dan de praktijk.

Een aantal jaren geleden dacht men de problemen binnen het fysica onderwijs te kunnen oplossen door leerlingen leerlingenproeven te laten uitvoeren. De leerlingenproef werd ingevoerd in de leerplannen. Er kwamen instructies over het aantal leerlingenproeven dat men minimaal moest uitvoeren. Snel bleek echter dat deze werkwijze niet altijd het beoogde resultaat heeft.

Binnen onze visie op leerlingen vinden we daarvoor een verklaring.

Wanneer leerlingen waarnemingen doen, wordt de interpretatie daarvan beïnvloed door het wereldbeeld dat ze met zich meebrengen naar de klas. Ze zullen hun aandacht dan ook vooral richten naar elementen die binnen hun wereldbeeld van belang zijn. Deze elementen zijn niet noodzakelijk in overeenstemming met de aandachtspunten van de leerkracht.

Veel leerlingen weten niet waarom ze experimenten moeten uitvoeren, wat de bedoeling is van al dat werk. Ze denken vaak dat ze proefjes moeten doen om te controleren of iets werkt, eerder dan om na te gaan hoe een theorie bepaalde waarnemingen kan verklaren.

Grofweg kan men de problemen opsplitsen als volgt:

1. Problemen van praktische aard:
   • gebrek aan voldoende materiaal
   • gebrek aan tijd vanwege de leraar om experimenten uit te testen, op te stellen, weer op te ruimen
   • gebrek aan tijd binnen het lesurenpakket
   • ...
2. Fundamentelere pedagogische problemen:
   ‘Leerlingen vinden het altijd leuk, maar weten niet waar ze mee bezig zijn; ze focusseren hun aandacht op onverwachte zaken, je kan ze moeilijk duidelijk maken wat de bedoeling is; ...’

Ervaringen alleen volstaan dus niet. Belangrijk is hoe leerlingen deze ervaringen kaderen in hun wereldbeeld. Interactie en overleg met de leerkracht is essentieel in dat proces.

Kenmerkend voor een leerkracht die werkt met de ideeën van leerlingen in het achterhoofd is dan ook de grote luisterbereidheid en luistervaardigheid. Hij/zij moet kunnen luisteren naar de betekenis die leerlingen geven aan verschijnselen, naar de evolutie van inzichten. (Deze visie staat in contrast met het enkel aanbieden van leerstof en het veronderstellen dat het al dan niet verwerken van die informatie bepaald wordt door de intelligentie van de leerling.)

Wetenschap onderwijzen met ‘childrens thinking in mind’: de leerkracht moet zich bewust zijn van de bestaande inzichten van leerlingen, de doelstellingen binnen het leerplan en de verschillen tussen deze twee polen. Onderwijs- en leermethodes met aandacht voor de opbouw van ideeën vraagt van leerlingen niet enkel dat ze labo-werk doen, maar ook dat ze reflecteren over de manier waarop hun onderzoek verband houdt met de ideeën die ze zelf hebben en de ideeën die de leerkracht heeft.

3.3. Taalgebruik in de wetenschapsklas

3.3.1. Probleemstelling

Vanuit het handboek komt wetenschappelijke kennis vaak over als onpersoonlijk en vrij van waarden.

Een reden daarvoor is het onvermijdelijke gebruik van wetenschappelijk vakjargon dat leerlingen op een afstand houdt van wat onderwezen wordt.

Het vakjargon dat we gebruiken bevat enerzijds gekende woorden. Binnen de fysica echter geven we aan sommige van deze woorden een specifieke betekenis. Een voorbeeld daarvan is het woord kracht.

Anderzijds gebruiken we een aantal, die nieuw zijn voor leerlingen. Soms worden deze woorden niet uitgebreid genoeg gedefinieerd. Een voorbeeld daarvan is het woord hydraulische pers.

Door enkel over wetenschap te praten, werkvormen te gebruiken waarbij leerlingen niet zelfstandig werken, alledaags taalgebruik systematisch te vermijden, wordt wetenschap ervaren als ver van je bed, moeilijk en autoritair. Wetenschappelijk denken ziet men als een ander soort denken, fundamenteel anders dan het alledaags denken of bijvoorbeeld het soort denken dat je gebruikt in een taalvak. Wetenschappelijk denken lijkt op die manier ontoegankelijk voor velen.

3.3.2. De betekenis van woorden achterhalen

Wanneer je als leerkracht spreekt tegen je klas, wanneer je een grafiek op bord tekent, wanneer je een grafische voorstelling bespreekt, zal de informatie die je wil overbrengen niet automatisch worden getransfereerd naar je leerlingen.

Elk individu in de klas geeft een eigen interpretatie aan wat je vertelt. Deze interpretatie hangt af van veel verschillende stimuli onder andere van de woorden die je gebruikt, maar ook van de gemoedstoestand van de leerlingen, hun achtergrond enz. .

In welke mate deze interpretatie overeenstemt met de interpretatie die je er als leerkracht aan geeft, hangt af van hoe leerlingen omgaan met de taal die je gebruikt.

Enkele voorbeelden van situaties waar er een spraakverwarring ontstaat tussen leerlingen en hun leerkracht:

• Wanneer je als leerkracht woorden gebruikt die onbekend zijn voor leerlingen en deze woorden niet uitlegt in de taal van de leerlingen, begrijpen leerlingen vanzelfsprekend niet wat je inhoudelijk bedoelt. Het gevolg daarvan is dat leerlingen in het construeren van een betekenis geassocieerde ideeën triggeren uit hun geheugen. Deze geassocieerde ideeën hoeven niet te passen binnen de redenering die je als leerkracht volgde. Leerlingen dwalen op die manier af van jou denkpatroon.
  Waar jij die een theoretische uiteenzetting geeft, denken leerlingen bijvoorbeeld aan vroeger uitgevoerde experimenten. Ze zeggen: ‘De juf schreef alles op bord en wij moesten het overschrijven in onze nota's, maar ik begreep er niets van’.
• We staan er op dat leerlingen zich uitdrukken in het wetenschappelijke vakjargon. Leerlingen beschouwen dit als een onderricht in het gebruik van terminologie en niet als een onderricht in de betekenis van begrippen. ‘Goed zo, nu denk je als een echte wetenschapper.’ Kinderen leren snel dat het gewaardeerd wordt als ze bepaalde woorden gebruiken die verder onbegrijpelijk voor hen zijn. ‘We moesten leren hoe je fotosynthese schrijft maar zelfs de leraar kon ons niet zeggen wat het wil zeggen.’
• Een ‘leerlingvreemde’ taal geeft leerkrachten een zekere vorm van macht over leerlingen. Wanneer ze erin slagen om de interesse van leerlingen vast te houden is het een middel om hun gezag te handhaven.
  Wanneer leerlingen vragen stellen zijn ze door hun aarzelend spreken en hun moeizaam gebruik van de terminologie steeds in het nadeel. (Zoals de leerkracht Frans die zeer open staat voor ‘Frans’ gesprek.) Wat leerlingen zeggen wordt snel als ‘fout’ bestempeld of genegeerd. ‘Waar de taal van de leerkracht een hulp zou moeten zijn is het vaak een obstakel tussen het referentiesysteem van de leerkracht en de leerling ... Leerlingen vallen terug op eerder opgedane ideeën ... Wat de stille leerling denkt is een nog groter vraagteken ... De leerkracht, zich plots bewust van de kloof tussen hem of haar en de leerlingen gaat snel voort met de geplande les ... De leerkracht onderwijst in één referentiesysteem, de leerlingen leren in een ander ... Ze horen woorden die voor hen een andere betekenis hebben en proberen die moeizaam in te passen in hun eigen referentiekader.
• Wanneer de leerkracht woorden uit de dagelijkse taal gebruikt in een vakgebonden betekenis en leerlingen zijn zich daar niet van bewust, hebben leerlingen problemen waarvan men de oorzaak op het eerste gezicht niet kan opsporen. Voorbeeld: wanneer een leerkracht zegt ‘dieren zijn levende dingen’ zijn alle leerlingen het daarmee eens. Het is echter mogelijk dat verschillende leerlingen, naargelang welke betekenis voor het woord dier ze gebruiken, verschillende betekenissen aan deze uitspraak koppelen. Een ander voorbeeld. Het woord consument betekent binnen de biologie: een dier dat een ander dier opeet en binnen de economie de gebruiker van een product. Wanneer jongeren deze twee betekenissen verwarren ontstaat de volgende spraakverwarring: ‘Alle dieren eten dingen. Als het niet eet is het geen dier, zoals een bloem die eet geen dingen dus het is geen consument. 't is te zeggen het is wel een consument, maar niet van eten. Het eet geen planten of dieren. (Zijn planten dan consumenten?) Ja, een soort van; ze gebruiken de stralen van de zon en mineralen uit de bodem’ (13j). Een bioloog zou een plant geen consument noemen.)
• Soms zijn leerlingen zich bewust van een verschil tussen de betekenis die hun leerkracht aan een woord geeft en de betekenis die ze er zelf aan geven. Toch blijven ze het woord gebruiken binnen hun eigen betekenis. Voorbeeld: ‘Welke betekenis gebruik je het meest? De alledaagse betekenis. Welke betekenis gebruik je in de fysicaklas? De alledaagse, die kan ik beter onthouden. Welke gebruikt je leerkracht? De wetenschappelijke. Denk je dat dat problemen geeft? Ja, want we snappen niet echt wat hij zegt.’ (13j) Bovendien is het zo dat als een leerling de betekenis van de leerkracht begrijpt, dat nog niet betekent dat leerlingen die betekenis aanvaarden en gebruiken. Voorbeeld: ‘Voor mij zijn spinnen nog altijd insecten, geen dieren, ik ben er niet mee akkoord, ik denk ook niet dat een worm een dier is’ (13j) Een leerling heeft de betekenis van een woord begrepen en die betekenis gebruikt bij het invullen van een toets. In een gesprek achteraf echter: ‘Een persoon is een dier want hij eet vlees en groenten. Een persoon doet dat. Vind je het logisch dat een persoon een dier is? Niet echt. Een wetenschapper noemt een persoon een dier. Je hebt dat als antwoord gegeven op je toets. Zou je nu als een wetenschapper denken en een persoon een dier noemen? Nee, als ik aan een persoon denk zie ik geen dier voor me.’
• Als we ‘gewone’ woorden gebruiken: het is niet alleen bij het gebruik van vaktermen dat er verwarring kan ontstaan. Ook alledaagse woorden hebben meer dan één betekenis. Voorbeeld: ‘Planten ‘maken’ hun eigen voedsel door gebruik te maken van zonne-energie. Dieren kunnen hun eigen voedsel niet zelf ‘maken’. Ja, dieren kunnen hun eigen voedsel niet maken want ze hebben geen handen, alleen maar vier poten. Dat is raar, ze kunnen geen dingen doen zoals wij want wij hebben handen en vingers om ons te helpen. Dus mensen kunnen hun eigen voedsel maken? Ja, ze kunnen groenten kweken of dingen kopen, koekjes en zo. Dieren kunnen enkel hun mond gebruiken behalve als het een aap is.’ (13j) Het woord ‘maken’ wordt hier in een andere betekenis gebruikt, het woord dier in niet wetenschappelijke betekenis. Deze leerling stelt zich bij deze zin iets helemaal anders voor dan wat de leerkracht kan vermoeden.

3.3.3. Hoe het taalprobleem oplossen?

Om leerlingen bewust te maken van de verschillende betekenissen van woorden werden ze in kleine groepjes verdeeld en werd hen een aantal vragen voorgelegd. Dit geeft aanleiding tot hevige discussies. Het eindpunt van zo’n discussie is niet noodzakelijk dat de wetenschappelijke betekenis aanvaard wordt.

Voorbeeld: een groepje van vier 14 jarigen discussieert over het feit of een spin een dier is:

L1: het is een insect, geen dier
L2: maar het heeft bloed, zo ... , het heeft ogen en een mond
L3: 6 poten
L4: het is een insect en een insect is geen dier
(L3 is niet tevreden dat een spin niet ingedeeld wordt bij de dieren)
L3: ben je akkoord? Het is een dier of niet?
L2: Nee, je hebt me overhaalt om te geloven dat het geen dier is.
L4: maar het is dan toch een insect of niet?
L3: Je weet toch dat leerkrachten spinnen indelen bij de insecten?
L2: Nee, dat doen ze niet, ze hebben er een andere naam voor.
L3: Ik heb nog nooit gehoord dat ze zeiden dat het dieren zijn.
L4: Het lijkt mij te klein te zijn voor een dier. Een dier denk ik is groter.
L2: Volgens mij heb je ook superkleine dieren.
L3: Ja, guineese biggetjes zijn niet zo groot.
L2: Er bestaan ook grote spinnen.
L4: Ja, maar toch niet zo groot als een guinees biggetje.

L2 besluit dan om de mening van de groep, voorlopig althans, over te nemen en ze gaan verder met de volgende vraag.

Een dergelijke werkmethode komt erg verward en weinig gestructureerd over. Ze is echter zeer waardevol op voorwaarde dat ze goed begeleid wordt door een leerkracht. Ze geeft jongeren de gelegenheid om hun ideeën over wetenschap te verbaliseren, het concept dat ze hanteren aan anderen te verduidelijken..

Vaak zien we dat conversaties in de klas niet verder gaan dan administratieve aspecten zoals ‘waar ligt het materiaal’ of ‘schrijf dat op die plek in je nota’s’ ...

Wanneer we echter de ideeën van leerlingen willen wijzigen is het vooreerst zeer belangrijk dat ze klaar zien in hun eigen visie op een wetenschappelijk probleem. Zelfs als de vier leerlingen uit de voorgaande discussie enkel onthouden dat er verschillende betekenissen bestaan van het woord dier zullen ze toch geïnteresseerd zijn in de wetenschappelijke betekenis en in het verschil dat bestaat met de betekenis die ze er zelf aan geven.

De eerste stap in het leerproces bestaat erin dat leerlingen zich van de verschillende betekenissen van woorden bewust worden. Dat ze inzien dat het belangrijk is om de betekenis van een woord goed te kennen.

We kunnen hen daar gewoon op wijzen. Bijvoorbeeld door te zeggen dat ‘kracht’ wel een woord is dat ze al kennen, maar dat we het binnen de fysica les in een specifieke betekenis zullen gebruiken.

Een andere mogelijkheid is dat leerlingen bij de aanvang van een nieuw onderwerp de kans krijgen om in hun eigen woorden de betekenis die ze aan bepaalde woorden geven te verduidelijken. In de groep kunnen deze verschillende betekenissen verduidelijkt worden en kan het verschil met de wetenschappelijke betekenis aangestipt worden.

Marc Debusschere
Christel Balck
John Depoorter

Deel 2 Workshop om de praktijk te ervaren

Opmerkingen en verduidelijking bij het gebruik van het vorige schema in een klassituatie.

Leerlingen:

• krijgen de cartoon of de stelling in handen.
• krijgen de tijd om in kleine groepjes van 3 à 4 leerlingen over de inhoud van de cartoon te discussiëren.

Het is de bedoeling is dat de verschillende preconcepties die in de discussie aan de oppervlakte komen naar voor komen. Dat kan binnen de groepjes schriftelijk. Dat kan later binnen een klas gesprek aan bord.

De nadruk ligt op het formuleren, niet op het correct formuleren. De drempel naar het verwoorden toe moet zo laag mogelijk zijn.

Leraar

Binnen de kleine groepen:
Als leraar blijven we op de achtergrond.

Vaak valt de discussie binnen de groepjes snel stil, verglijdt ze naar een ander onderwerp. Als leraar ga je bij alle groepjes langs en stimuleer je de discussie door leerlingen verduidelijking te vragen bij wat ze zeggen, schrijven: ‘wat bedoel je precies, mag ik het zo begrijpen, waarom denk je dat, hoe zou je dat kunnen opschrijven. Verder lever je inhoudelijk geen enkele bijdrage.

Binnen het groepsgesprek:
Je probeert ervoor te zorgen dat alle visies aan bod komen. Het is belangrijk dat leerlingen inzien dat niet iedereen dezelfde préconcepties heeft. Bovendien is het belangrijk dat leerlingen zich oefenen in het verwoorden van hun visie. Leerlingen moeten zich bewust worden van hun eigen visie. Jij stelt in deze fase een diagnose van deze start visie en brengt een samenvatting van de visies, bijvoorbeeld aan bord, samen.

Leerlingen

Vaak plannen wij als leraar het experiment zelf. Dan nemen we echter een essentiële stap in de wetenschappelijke methode af van leerlingen. Het zelf plannen van het experiment is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat leerlingen het experiment niet zien als het volgen van een recept, maar als een middel om vragen te beantwoorden.

In een eerste fase zullen leerlingen tijdens het plannen van het experiment terugvallen op eigen ervaringen en dus op informatie die ze zintuiglijk bekomen. Laat de leerlingen vrij deze fase minstens één keer te doorlopen. Laat ze ervaren dat hun zintuigen zeer waardevolle informatie maar ook zeer vage, oppervlakkige, niet éénduidige informatie geven. Wanneer binnen eenzelfde klasgroep sommige leerlingen enkel zintuiglijke waarnemingen doen en anderen al tot metingen komen, wordt in de confrontatie van de resultaten vanzelf duidelijk wat het voordeel van een experiment is.

In een tweede fase moeten leerlingen komen tot het vertalen van de probleemstelling in meetbare grootheden.

Daarbij is het belangrijk dat eerst alle grootheden die een rol spelen, alle omgevingsfactoren in kaart gebracht worden. Leerlingen fixeren zich meestal enkel op wat ze vanuit hun persoonlijke leefwereld belangrijk vinden. Uit het onderwijsleergesprek dat aanleiding gaf tot de verschillende werkhypothesen werden door verschillende leerlingen verschillende grootheden aangebracht die een rol spelen in de gegeven probleemstelling. Binnen het experiment moeten al deze grootheden een plaats vinden. Sommige grootheden moeten in het experiment constant gehouden worden. Andere grootheden gaan we controleren, meten. Leerlingen moeten op voorhand proberen in te schatten hoe groot het meetresultaat zal zijn zodat ze geschikte meetapparaten selecteren.

Als hulpmiddel bij de planning kan je leerlingen een structuur aanreiken:

Door planning en realisatie duidelijk van elkaar te onderscheiden dwing je leerlingen eerst te denken en dan pas te doen. De resultaten van het experiment zijn dan duidelijker en klaarder.

Tijdens de realisatie van het experiment hebben leerlingen moeite om de resultaten van hun waarnemingen en metingen op te schrijven en te verwoorden. Vaak zien ze er het nut niet van in, vinden ze het uitvoeren van het experiment leuker en nemen ze of krijgen ze er zeker tijdens het experiment de tijd niet voor. Het is belangrijk daar voldoende aandacht aan te geven.

De leraar

Leerlingen moeten dit plannen leren. Als leraar moet je dit leerproces stimuleren. Dat kan door vragen te stellen zoals:

• Welke factoren hebben invloed op het probleem?
• Welke factoren hebben er een grote invloed, welke een kleine?
• Kunnen we sommige factoren als constant veronderstellen?
• Hoe gaan we factoren controleren?
• Met welke grootheden komen die factoren overeen?
• Hoe groot verwacht je dat deze grootheden zullen zijn?
• Met welk meetinstrument kan je die grootheid meten?
• Hoe ga je te werk gaan?
• Welk materiaal heb je allemaal nodig?
• Waarom lukt het niet?
• Wat is je besluit?
• ...

Je bent met andere woorden de supporter aan de kant die de bal voortdurend terug naar de spelers werpt wanneer die om de één of de andere reden van het speelveld verdwijnt.

Op het moment dat het experiment een juiste werkhypothese heeft aangewezen zijn leerlingen maximaal intellectueel uitgedaagd. Hun eigen visie is in conflict met de uitkomst van het experiment. Leerlingen hebben op dat moment nog geen antwoord op het waarom van deze tegenstrijdige visie. Dit is een goed moment om de wetenschappelijke visie aan te reiken als antwoord op de waarom-vraag.

De wetenschappelijke verklaring moet daarbij gegeven worden vanuit de probleemstelling, niet vanuit de opbouw van het leerplan. Het leerplan is een zeer goede structuur die een samenhangend en voldoende volledig overzicht geeft van de fysische kennis binnen de secundaire school. Leerlingen denken echter niet binnen deze structuur. Leerlingen denken vanuit een concreet probleem en proberen met de kennis die ze bezitten dat probleem op te lossen.

De wetenschappelijke verklaring moet vertrekken van het concrete probleem, vanuit een conceptuele benadering en kan mogelijk uitvloeien in een formeel wiskundige formulering. De verklaring moet een verhaal zijn, dat eender wie op eender kan vatten. Het verhaal moet samenhangend zijn, alle vragen beantwoorden. De wetenschappelijke verklaring moet zeer aantrekkelijk gebracht worden opdat ze kans zou maken de eigen visie (die uit jarenlange ervaring groeide) te verdringen.

Werkvorm: leerlingenexperiment

Leerlingen zijn zeer verbaasd dat de thee in de metalen theepot het snelst afkoelt

De thee in de pot is op een hoge temperatuur. Dit betekent dat de deeltjes waaruit de thee bestaat gemiddeld snel bewegen. De theepot en de omgeving zjjn op een lagere temperatuur. Dat wil zeggen dat de deeltjes waaruit de theepot en de lucht bestaan gemiddeld trager bewegen.

Door botsingen tussen de deeltjes wordt de energie uitgewisseld. Tijdens de botsing versnellen de traagste deeltjes en vertragen de snelste deeltjes. Wanneer we voldoende lang wachten krijgen alle deeltjes eenzelfde gemiddelde eindsnelheid of krijgen alle betrokken voorwerpen en stoffen eenzelfde eindtemperatuur.

We kunnen de energie uitwisseling tussen pot en omgeving op verschillende manieren vertragen. Een stof die energie uitwisseling bemoeilijkt noemen we een isolator. Energie uitwisseling vertragen is isoleren.

Door de pot dik te maken duurt het langer voor, door onderlinge botsingen, het temperatuurverschil tussen thee en omgeving wegvalt. In een dikke theepot blijft de thee dus wel degelijk langer heet. Door rond de thee een ijle ruimte aan te brengen, reduceer je het aantal botsingen en vertraag je dus de energie uitwisseling.

Sommige materialen zijn ijl van structuur zoals isomo. Isomo bekers zijn dus zeer geschikt om bijvoorbeeld drank langer heet in te houden. Je kan ook een dubbelwandige fles maken. De lucht tussen de binnen en de buitenwand verhindert energietransport. Dit principe wordt toegepast in thermosflessen of bij dubbele beglazing.

Een metalen pot is niet echt geschikt als isolator. Metalen voorwerpen hebben microscopisch de volgende structuur:
het metaal van de thermosfles is vast, de deeltjes waaruit de stof is opgebouwd zijn geschikt in een rooster. De metaalatomen hebben één of meer elektronen van de buitenste schil losgelaten, het zijn positieve metaalionen geworden. De vrijgekomen elektronen kunnen zich vrij bewegen door het rooster. In een metaal wordt de energie dus niet alleen doorgegeven door metaalionen, maar ook door snelle vrije elektronen. In een metalen potje koelt de thee dus erg snel af

Een metalen theepot is wel geschikt omdat de fles dubbelwandig is. De luchtlaag tussen binnen - en buitenfles vertraagt de energie uitwisseling en zorgt dus voor de isolatie.

Bronnen

‘Making sense of secondary science’ Rosalind Driver Ann Squires Peter Rushworth Valerie Wood –Robinson ISBN 0-415-09767-3

Conceptual Physics 10th edition Paul G. Hewitt ISBN 0-321-31532-4

Practicing physics Paul G. Hewitt ISBN 0-8053-9198-3

Media Workbook Abigail Reid Mechtenberg ISBN 0-8053-9376-5

Conceptual physics 9th edition Paul Robinson ISBN 0-321-05205-6

De syllabus conceptcartoons met teksten van John De Poorter (Arteveldehogeschool), Christel Balck (KaHo St.Lieven) en Marc Debusschere (Diocesane Pedagogische Begeleidingsdienst Bisdom Gent) met financiële steun van Wetenschapsbeleid. Het opzet is het stimuleren van het gebruik van deze didactische techniek. De syllabus wordt gratis verspreid en beoogt geen enkel commercieel doel.

Naar een oorspronkelijk idee van Brenda Keogh en Stuart Naylor.

Werkten ook mee Rita Van Peteghem en de uitgeverij Wolters Plantijn.