Natuurkunde van klas 3 naar 4 Een weg naar een soepelere overgang Een onderzoek voor het Marnix Gymnasium ten behoeve van ILO opleiding, UvA Job van Giesbergen, 6 juli 2012

Probleemstelling Op het Marnix kan voor het vak Natuurkunde het volgende geconstateerd worden: Groot verval in rapportcijfers van de 3de naar de 4de klas Verminderde motivatie met negatief effect op de klasatmosfeer Struikelblok bij overgang naar de 5de klas

Profielproduct opdracht Wat kan er didactisch gedaan worden om de overgang van de 3de naar de 4de klas voor het vak Natuurkunde soepeler te laten verlopen en zo de resultaten van de leerlingen te verbeteren?

Vooronderzoek In de literatuur worden meerdere oorzaken aangegeven voor de lastige overgang: Univ Nijmegen (2010) Onderzoek Leerplan Ontwikkeling (2003) Werktempo V Mate van zelfstandigheid Moeilijkheidsgraad 3e klas te makkelijk Veranderende leeromgeving Verminderde motivatie (andere interesses) Focus van mijn onderzoek

Moeilijkheidsgraad Wat betekent objectief een hogere moeilijkheidsgraad in de leerstof en opgaven? Groter conceptueel inzicht nodig: hoger abstractievermogen, complexe verbanden begrijpen Groter probleemoplossend vermogen: doorzien en herkennen van verbanden in context, kennis toepassen, oplossingsstrategie Meer toepassen van wiskundige kennis en vaardigheden .....Echter dat leerstof en opgaven als moeilijk worden ervaren hangt ook af van een aantal persoonlijke aspecten: interesse, talent en inzet

Onderzoeksvragen Wat ontbreekt er bij de leerlingen aan kennis en vaardigheden om succesvol om te gaan met een hogere moeilijkheidsgraad? Waarom ontbreken de benodigde kennis en vaardigheden? (oorzaken) Wat zijn methoden om de resultaten en motivatie te verbeteren?

Moeilijkheid: Onderzoeksinstrumenten Wat er ontbreekt bij leerlingen ? Literatuuronderzoek over probleemoplossend vermogen – welke kennis en vaardigheden zijn nodig? Toetsanalyse – waar gaat het fout? Welke kennis en vaardigheden ontbreken hier? Waarom de benodigde kennis en vaardigheden ontbreken? Enquete bij alle leerlingen – focus op invloed van motivatie, lesbeleving en werkhouding op leerproces Diepte interview met 10 geselecteerde leerlingen Wat zijn methoden om de resultaten en motivatie te verbeteren? Literatuuronderzoek over hoe probleemoplossend vermogen te verbeteren en motivatie te verhogen

De hogere moeilijkheidsgraad in de 4de? Literatuuronderzoek (theorie) Wat betekent objectief een hogere moeilijkheidsgraad in de leerstof en opgaven? Benodigd voor probleemoplossen (lit: Prof. T. de Jong, UvA) 1) Groter conceptueel inzicht nodig: hoger abstractievermogen, complexe verbanden begrijpen Declaratieve kennis – feiten, begrip concepten, maar feitelijke kennis kunnen koppelen aan situaties 2) Groter probleemoplossend vermogen: doorzien en herkennen van verbanden in context, toepassen van kennis, oplossingsstrategie Strategische kennis – het vinden van een oplossingsstrategie, reflecterend over leerproces. Episoden voor een Systematische Probleem Aanpak (Schoenfeld) is een voorbeeld 3) Meer toepassen van wiskundige kennis en vaardigheden Procedurele kennis – uitvoerende procedures

Toetsanalyse: De opgave In de onderstaande figuur is het eerste deel van een glasvezel afgebeeld. Aan de linkerkant vallen vanuit de lucht twee lichtstralen in. Voor lichtstraal 1 is getekend hoe de lichtstraal wordt gebroken op de overgang van lucht naar de kern van de glasvezel. De invalshoek van lichtstraal 1 op het grensvlak van kern en buitenmantel is gelijk aan de grenshoek. Lichtstraal 1 wordt daar dus volledig teruggekaatst. Schets in de figuur in de bijlage het verdere verloop van lichtstraal 2. Je hoeft hier dus geen berekening te maken. De brekingsindex van het materiaal van de kern is 1,48. De brekingsindex bij de overgang van kern naar buitenmantel is 0,75. c) Bereken de waarde van hoek α waaronder lichtstraal 1 invalt.

Toetsanalyse: De kennis Voor het correct oplossen van de opgave is vereist: Goede kennis van natuurkundige principes en verbanden (declaratieve kennis) Wet van snellius sin i/ sinr = n Licht  Glas: breking naar de normaal toe Bij grensvlak lucht/ glas als hoek inval groter dan hoek breking ook groter Bij grensvlak kern/ mantel als hoek inval kleiner dan grenshoek dan breking, als hoek inval groter dan grenshoek dan reflectie sin g = ndicht  minder dicht De vaardigheid een oplosroute te vinden en het probleem in een aantal stappen op te lossen (strategische kennis) Stap1: sin α/ sin r = 1,48, Stap 2: r = 90 – g, Stap 3: sin g = 0,75 Gebruikmakend van wiskundige technieken (procedurele kennis) Inverse sinus (sin -1 0,75 = g), r = 90 – g

Toetsanalyse: De fouten 1a Fout 1: direct lichtstraal 2 laten reflecteren op grensvlak lucht/glas Vraag verkeerd begrepen, gedacht dat hoek α is een grenshoek Fout 2: hoek van breking of te groot of te klein genomen Wet van snellius kwalitatief niet toegepast Fout 3: lichtstraal 1 laten reflecteren op grensvlak kern/mantel Breking als hoek van inval kleiner dan grenshoek niet toegepast, aanname binnen glasvezels reflecteert de lichtstraal toch.

Toetsanalyse: De fouten 1c Fout 1: hoek α is de grenshoek g op het lucht/ glas grensvlak Fout 2: verkeerd gelezen, gedacht dat hoek α en de grenshoek g aan elkaar gelijk zijn Dus α volgt uit berekening van g Fout 3: niet bewust van dat n < 1 moet zijn bij een grenshoek

Toetsanalyse: Conclusie Vraag wordt vaak verkeerd begrepen door verkeerd lezen of door onvoldoende kennis van de principes Slecht weinigen zien de correcte stappen nodig om opgave 1c op te lossen Blijkbaar ontbreekt het zowel aan conceptueel begrip (declaratieve kennis) als vaardigheden om de vraag goed te analyseren en een oplossingsstrategie te bedenken(strategische kennis)

De enquete Doelstellingen Uitvoering De oorzaken te ontdekken van de onvoldoende kennis en vaardigheden Aanname: interesse, lesbeleving en werkhouding hebben een effect op het leerproces. De enquete brengt deze aspecten in kaart Uitvoering 22 meerkeuze vragen, n = 49

Beleving lessen Blijkbaar rond een 30% heeft een negatieve beleving Moeilijkheidsgraad Lessen Stemming Talent Blijkbaar rond een 30% heeft een negatieve beleving

Les/ leerstof Leerlingen blijkbaar verrast door moeilijke toetsen Werktempo Niveau Toetsopgaven Uitleg in boek Uitleg docent Leerlingen blijkbaar verrast door moeilijke toetsen

Werkhouding Aandacht en inzet is onder de maat Aandacht in de les Maakwerk tijdens de les Huiswerk Aandacht en inzet is onder de maat

Diepte interviews Doelstellingen Uitvoering Beter de oorzaken van ontbrekende kennis en vaardigheden te begrijpen Enquete-antwoorden toelichten Vragen over toetsvoorbereiding en hulpmiddel bij foutanalyse – waarom ging het fout? Uitvoering 10 leerlingen, 1 uur gesprekken Selectie criteria: cijfer tussen 5 en 7, gaat door met natuurkunde in de 5de klas, heeft aangegeven natuurkunde erg moeilijk te vinden

Enkele inzichten Wat teleurgesteld in Natuurkunde in de 4de (vergeleken met de 3de klas) Weinig opgaven tijdens de lessen maar met uitwerkingen een week voor de toets te weinig oplossingsvaardigheid opgedaan Tijdsdruk veroorzaakt gehaast de opgave analyseren en dus interpretatiefouten Als het niet helemaal rustig is in de klas laten leerlingen zich snel afleiden Leerlingen vinden dat toetsopgaven moeilijker zijn dan opgaven in het boek. Meer toetsoefenopgaven gewenst. Over het algemeen voelden leerlingen zich goed voorbereid, maar de toets viel tegen. Waar gaat het fout? Begrijp weinig van de leerstof (2 leerlingen) Begrijp de leerstof goed maar begrijp de opgave niet (3 leerlingen) Begrijp de opgave wel, maar weet niet hoe ik mijn kennis moet toepassen of waar ik moet beginnen (5 leerlingen)

Eindconclusie Leerlingen missen conceptuele kennis en probleemoplossings-vaardigheden. Bij verschillende leerlingen verschillende oorzaken aan te wijzen: Aandacht en inzet is onvoldoende om de lesstof goed te begrijpen. (dus onvoldoende declaratieve kennis). Het maken van opgaven uit het boek zijn belangrijk voor conceptueel begrip Te weinig oefening met complexere opgaven (onvoldoende strategische kennis) Gebrek aan probleemanalyse vaardigheden Moeite met bedenken van een oplossingsstrategie Didactische verbeteringen zijn noodzakelijk

Probleemoplossend vermogen verbeteren Uit literatuuronderzoek blijkt: Probleemoplossend vermogen hoger na instructie en oefening met SPA (Systematische Probleemaanpak) Episoden van Shoenfeld (1992): Oriëntatie Analyse Planning Uitvoering Controle Randvoorwaarden probleemoplossen effectief aanleren (De Corte 2004): Actieve rol van lerende (d.m.v. activerende werkvormen) Brede variëteit van context (leren toepassen in verschillende situaties) Reflectie op eigen oplossingsproces Veel oefening Aandacht op het vergroten van zelfvertrouwen in aanpakken van opgaven Echt zelf oplossingsstrategie vinden (eventueel alleen hints geven)

Didactische verbeteringen Randvoorwaarden Werkhouding in orde! (strakke werkwijzers en huiswerkdiscipline) Een heel jaar Mechanica is saai. Meer aandacht aan variatie en werkvormen (bijvoorbeeld meer demo’s en activerende werkvormen zoals denken, delen uitwisselen). Meer differentiatie: elke categorie leerlingen met eigen aanpak (zie volgende dia) Speciale lessen in probleemoplossen (gebruik van SPA) Oefening I: Complexe opgaven in context analyseren (begrip van de situatie, wat zijn de relevante gegevens en relaties). Begrijpend lezen Vragen over begrip van de opgave! Antwoorden bespreken in de klas. Oefening II: Oplossingsstrategieën formuleren (route opties, welke stappen per optie) Presentatie van oplossingsstrategieën, bespreken in de klas. Hoe kom je aan een oplossingsstrategie?

Didactische verbeteringen: differentiatie onderkennen Categorie 1: leerlingen die geen natuurstroom hadden moeten kiezen, staan onvoldoende en hebben een negatieve invloed op klas Veel controle nodig, minstens huiswerk af Categorie 2: leerlingen die gemotiveerd zijn om door te gaan, maar hard moeten werken voor een 6/7 Extra focus met de speciale lessen Categorie 3: leerlingen die echt talent hebben voor natuurkunde en 8/9 scoren. Verbredingsopdrachten

Implementatie Neem de SPA lessenreeks en vragenlijst door SLO ontwikkeld als leidraad SPA instructielessen in periode 1 SPA oefenlessen vanaf periode 1 Opgaven op eindexamens niveau oefenen: Tijdens de gehele periode niet alleen op het eind Eerst opgave analyseren en oplosstrategie formuleren. Na bespreking pas opgave uitwerken