Diepgang en minder onderwerpen, een voorstel voor natuurkunde.

Alice Cottaar - Norbertuscollege Roosendaal
NVOX 2005 november, p.540

In de komende tijd zal er veel in het natuurkundeonderwijs veranderen. Deze veranderingen worden door de politiek geïnitieerd en op gang gebracht, maar er is ons beloofd dat 'het veld' (mee) kan beslissen over de invulling. Aan deze discussie over de invulling van de nieuwe natuurkunde (2010) wil ik mijn bijdrage leveren. Men is het erover eens dat de natuurkunde zoals die nu gegeven wordt de leerling te weinig aanspreekt. De politiek zoekt de oorzaak hiervan in de inhoud van de leerstof. Die zou te ver van de context van de leerling af liggen en vooral te moeilijk zijn. Maar weet de gemiddelde politicus wel wat er de afgelopen jaren in het vak natuurkunde veranderd is? Er is meer context en minder diepgang en het vak is meer kennisgericht dan inzichtgericht geworden. Natuurkunde als middelbare schoolvak is juist in de afgelopen 20 jaar steeds meer de kant uitgegaan waar de politiek ons naartoe wil leiden. En juist in deze afgelopen 20 jaar is de populariteit van het vak afgenomen. Gaan we dan wel de goede richting uit?

Het is uit bovenstaande wel duidelijk dat ik vind van niet. Mijn mening is gestoeld op eigen ervaring als docent (en als echte bètaleerling natuurlijk) en op eigen en andermans, meer of minder wetenschappelijk, onderzoek. Deze mening wil ik hieronder in het kort verwoorden en hem daarna onderbouwen. Op het einde van dit artikel zal ik dan nog laten zien hoe mijn ideeën in de praktijk vorm kunnen krijgen.

Centraal in dit artikel staat de volgende stelling: We moeten onze beperkte lestijd vertalen in het geven van maar een zeer beperkte hoeveelheid leerstof, maar dan wel diepgaand, en met zoveel mogelijk variatie in uitleg en onderwijsvormen.

De sterkste onderbouwing van mijn stelling heb ik gevonden in grootschalig onderzoek in de VS naar de invloed van verschillende aspecten in het natuurkundeonderwijs op de resultaten voor het vak in het vervolgonderwijs (Sadler & Tai, 2001).

Men kwam hierin tot een lijst van zaken die significant bijdroegen tot goede natuurkunderesultaten in het tertiair onderwijs:
  1. Docenten die de tijd nemen om de leerstof op verschillende manieren uitleggen. 'Teachers reported by students as having high levels of physics knowledge and having high teaching ability are certainly appreciated by students, but the patience and gift of approaching problems and topics from many viewpoints appears to be a much more beneficial capacity'.
  2. Docenten waarvoor het leerboek niet de belangrijkste leidraad is of die zelfs helemaal geen leerboek gebruiken 'Students often rely heavily on the authority of a textbook, either looking for key words or unconnected facts to answer questions. In contrast, students are more likely to find their answers in class notes or their own real world experiences if the text is not central'.
  3. Een curriculum dat zich niet uitbreidt over zoveel mogelijk onderwerpen, maar die onderwerpen met meer diepgang behandelt (met name als de nadruk op mechanica ligt). Dit geldt zowel voor meisjes als voor jongens: 'We conclude that efforts to ensure the success of women entering the physical sciences should concentrate on increasing the depth and reducing the vast coverage of most high school physics courses... (/Tai & Sadler, 2001).
  4. Minder nadruk leggen op het oplossen van kwalitatieve opgaven in de klas. 'This concentration on fewer concepts should not exclude qualitative problems, but teachers should consider carefully which qualitative concepts to cover. These concepts should be included on tests and quizzes along with quantitative problems.'
  5. Een beperkte hoeveelheid practicum. 'Doing fewer lab experiments can be very effective if those performed relate to critical issues and students have the time to reflect on their personal experiences, laboratory findings, and teacher's explanations, mentally reformulating them into more powerful structures.'
  6. Studenten hadden het idee dat vriendelijke docenten hen beter natuurkunde leerden, maar uit het onderzoek bleek dit niet het geval te zijn. Docenten die gemiddeld en minder scoorden op de schaal voor vriendelijkheid zorgden voor de beste resultaten in het vervolgonderwijs1.
  7. Het vermijden van uitgebreide discussies na afloop van demonstraties. 'Tobias (1990) found that demonstrations are entertaining, but are more often confusing.... Complete discussions should take place before the demonstration so that students are invested in the outcome.'

Uit een eigen onderzoek2 onder leerlingen van verschillende middelbare scholen in Nederland bleek dat leerlingen die natuurkunde kozen gemotiveerd werden door meer diepgang en het leren begrijpen dat 'alles met elkaar in verband staat'. Een leerling verwoordt het heel mooi als hij zegt dat hij natuurkunde heeft gekozen 'ondanks dat alles heel oppervlakkig was in de onderbouw'. Verder werd de 'docent' en werden succeservaringen genoemd als motivatie voor het kiezen van het vak, andersom waren de docent en het gebrek aan succeservaringen ook bepalend voor leerlingen die het vak niet hadden gekozen.

Er is hier trouwens wel een verschil tussen havo- en vwo-leerlingen. Havo-leerlingen, voelen zich meer aangetrokken door practicum en 'video' dan door rekenen en diepgang. Het 'maken van veel sommetjes' en de 'saaie uitleg' zijn dan ook factoren die de havo-bètaleerling in de bovenbouw erg tegenvallen. Op het vwo zie je juist dat 'abstractie en formules' naast practicum (bij sommigen met name met berekeningen) als positief ervaren worden.

In een psychologisch artikel over de (on)mogelijkheden van leerlingen om aan de eisen van het studiehuis te voldoen3 heb ik ook voor ons leerzame informatie gevonden, met name voor de discussie over het al of niet moeilijk zijn van het vak:
  1. In de formeeloperationele fase, (Piaget, 12 tot 15-jaar) is het abstractievermogen voldoende om natuurkundige inhouden aan te kunnen. Er wordt zelfs beweerd dat de mogelijkheden om formeeloperationeel te denken op deze leeftijd gelijk en in sommige opzichten zelfs beter is dan die van een volwassene. Leerlingen hebben op deze leeftijd echter nog een grote voorkeur voor 'absolute' kennis (zwart/wit). Paradoxen en onduidelijkheid kunnen ze nog niet aan.
  2. Er moet duidelijke sturing zijn, zelfsturing kan pas vanuit een duidelijke structuur gestimuleerd worden.
Juist het vak natuurkunde, mits we de werkelijkheid binnen het vak niet te complex maken, heeft alle mogelijkheden om de leerling 'absolute kennis' en structuur aan te bieden. En zelfs in de onderbouw moet een zekere diepgang mogelijk zijn. We moeten wel opletten dat we onszelf en de leerling vooral de tijd gunnen om die diepgang ook echt te bereiken. Dezelfde stof moet dan ook op allerlei manieren aangeboden worden (praktisch en theoretisch). Als we ons die tijd gunnen dan krijgt de leerling de succeservaringen die haar stimuleren om verder te gaan in het vak. Ik wil bovenstaande vertalen naar een voorstel tot concrete invulling van het vak. Ik formuleer dit voorstel niet in kennisgebieden, maar in vier 'vaardigheden', samen een analytische manier van denken, die aangeleerd wordt:
  1. De leerling moet zich oefenen in het vertalen van verschijnselen uit de zeer complexe werkelijkheid naar de vereenvoudigde werkelijkheid van de natuurkunde:
    1. De rol van het experiment hierbij moet duidelijk worden (je schermt een overzichtelijk stukje werkelijkheid af van de complexe omgeving en stelt je vraag aan dat stukje werkelijkheid).
    2. Werken van tabellen (meetgegevens) naar grafieken en afhankelijkheden (formules) en het kunnen 'lezen' van deze zaken.
    3. Oefenen met vertalen vanuit verschillende contexten, niet altijd 'sommetjes maken'. Natuurkunde is juist het 'ontdekken' van verbanden. Dit kan in kwalitatieve opgaven naast de kwantitatieve.
  2. De leerling moet zich oefenen in het manipuleren van een of meerdere formules (wiskunde):
    1. Niet alleen rekenen met getallen, maar ook met 'symbolen'.
    2. Het vrijmaken van variabelen.
    3. Scalars en vectoren en het rekenen hiermee. (Op vwo ook weer in- en uitproduct).
    4. Differentiëren en integreren.
    Het zou mooi zijn als een vwo-leerling in zijn schoolcarière doorkrijgt dat er voor natuurkunde uiteindelijk maar een paar 'tools' nodig zijn. Het is wel van belang dat hij doorkrijgt dat het gebruiken van die 'tools' in het vervolg niet altijd eenvoudig is.
  3. Er moet een verband gelegd worden tussen de formule en het 'rekenen' aan de ene kant en de werkelijkheid aan de andere kant.
    1. Grootheden (als door de werkelijkheid bepaald) en eenheden (als door de mens bepaald, hoe gaat dat?).
    2. Eenheden en getallen samen bepalen de grootteorde.
    3. De wiskundige operatoren en de werkelijkheid.
    4. Formules 'toetsen' en ermee spelen, door afschattingen te maken en door naar de makkelijke gevallen te kijken (extremen, gevallen die je uit het 'dagelijks' leven kent etc.).
    5. Redeneren met behulp van formules.
  4. Terugvertalen van het antwoord naar de werkelijkheid en het antwoord toetsen:
    1. Grootteordes afschatten en vergelijken met antwoord.
    2. Nauwkeurigheid, significantie (vanuit het experiment of de meting).
    3. Het spelen met verschillende eenheden en getallen.
    4. Het uitbreiden en aanpassen van de natuurkundige werkelijkheid als je antwoord goed uitgerekend is maar toch niet overeenkomt met de werkelijkheid (aan welke factoren zou het 'niet kloppen' kunnen liggen?, kritisch omgaan met je antwoord, een stukje wetenschapsmethodologie).
N.B.
  1. Je zou de leergebieden binnen de natuurkunde zo moeten indelen dat de nodige 'vaardigheden' in elk leergebied allemaal aan de orde komen. Er moeten maar een zeer beperkt aantal leergebieden behandeld worden. Mijn voorkeur zou uitgaan naar een verplicht leergebied in de mechanica, dat centraal getoetst kan worden en daarnaast een door leerkracht of leerling bepaald leergebied, dat in het schoolexamen getoetst wordt.
  2. Een eventueel leerboek zou naast een basistekst (korte feiten, geen uitleg), allerlei verschillende mogelijkheden tot verwerking van de stof moeten bieden (opgaven van verschillende vorm en verschillend niveau, verschillende oplossingsmethodes (o.a. met GR), afleidingen, experimenten, mogelijkheden tot verdieping en eigen onderzoek, ezelsbruggetjes etc.). Een docent kan dan zelf de stof op verschillende wijzen aanbieden, maar zodanig dat de leerling ruim de tijd krijgt om een en ander echt te laten bezinken. Zo'n leerboek geeft dan ook meteen goede mogelijkheden om binnen de klas te differentiëren.
  3. De nadruk zal voor havo en vwo anders liggen. Havo iets minder abstract en op inzicht gericht dan vwo. Bij havo moeten punt 1 en 4 heel degelijk aan de orde komen. De meeste onderdelen van punt 2 en 3, maar zeker niet allemaal, gaan wat te ver. Het gebruik van de grafische rekenmachine (in samenwerking met wiskunde) kan hier in de havo een oplossing bieden.
  4. Een opzet, zoals hierboven besproken, kan goede structuur bieden al heb je als docent en als (oudere) leerling je vrijheden. De uitdaging is om de keuzemogelijkheden zo groot mogelijk te laten zijn, maar ook de leerdoelen zo duidelijk dat er toch een soort centraal examen uit de bus kan komen.
  5. In de onderbouw zouden één, of op zijn hoogst twee, leergebied(en) gekozen moeten worden. Wat precies de eisen moeten zijn aan zo'n leergebied lijkt me iets wat moet worden onderzocht. Het leergebied hoeft inhoudelijk niet echt aan te sluiten op de leergebieden die in de bovenbouw behandeld worden, als de juiste vaardigheden maar aan de orde komen.

Footnotes: terug
  1. Wat de studenten nu precies onder 'friendliness' als 'characteristic of your high school physics teacher' moesten verstaan werd in de vragenlijst die ze moesten invullen niet verduidelijkt.
  2. Dit onderzoek was verre van wetenschappelijk opgezet en diende er alleen voor om een idee te krijgen over de motivatie voor natuurkunde voor een discussiegroep tijdens de woudschotenconferentie 2004. Ik ben op zoek geweest naar een degelijk onderzoek, maar kon het in de Nederlandse context niet vinden.
  3. Kijk op www.home.planet.nl/~tluken/pet.htm de site is wel veranderd sindsdien, maar nog steeds interessant.
    Tom Luken, arbeids- en organisatiepsycholoog, zelfstandig gevestigd te Amsterdam als onderzoeker, ontwikkelaar, trainer en adviseur op het gebied van loopbaanvraagstukken.
    Adres: Geerdinkhof 75, 1103 PR Amsterdam.
    Gaat leren leren de leerling boven de pet? Over de (on)mogelijkheid van creatiefsociaal leren in het voortgezet onderwijs.
<