Ed van den Berg VU en HvA 21 november 2013 Leren onderzoeken Ed van den Berg VU en HvA 21 november 2013

Wereld van Wetenschappers Wereld van Ideeën Wereld van Objecten Theorieën Verschijnselen Observaties Begrippen Experimenten Relaties Metingen Zie NVOX artikel: Berg, E. van den (2012). Natuurwetenschap en techniek: heen-en-weer denken tussen begrippen en verschijnselen, redeneren met begrippen en met bewijsmateriaal. NVOX, 37(4), 176-177. Wereld van Wetenschappers Rondspelen van theorieën, resultaten, interpretaties, consensus?

? Waar gaat het om? Manipulatie Manipulatie van ideeën of van apparatuur of De didactische uitdaging van practicum is om het niet alleen hands-on maar ook minds-on te laten zijn. Alle didactiek moet erop gericht zijn leerlingen aan het heen-en-weer denken te zetten tussen verschijnselen en theorie. ? Minds-on Hands-on

Eindexamenprogramma havo/vwo bovenbouw Deel A: Vaardigheden Deel B-E: Inhoud Onderzoeks- en ontwerp vaardigheden: De kandidaat kan een natuurwetenschappelijk onderzoek voorbereiden, uitvoeren, resultaten verwerken, conclusies trekken Zie eindexamenprogramma’s deel A

Opdracht: Lenzenwet 1 𝑓 = 1 𝑣 + 1 𝑏 Bedenk een methode om de lenzenwet te verifieren. -Wat stellen de grootheden f, v, b voor? -Wat ga je meten en hoe? -Teken een opstelling -Ontwerp een tabel voor de gegevens Welke denkstappen / vaardigheden? Het blijkt dat als je een practicum opgave op deze manier geeft, dat veel leerlingen geen idee hebben wat ze moeten doen. Ze moeten nu echt nadenken. Eigenlijk moeten ze twee zaken bewijzen. Ten eerste dat 1/v + 1/b constant is voor een bepaalde lens, ten tweede dat die constante 1/f is en daarin moet de f onafhankelijk van de lenzenformule bepaald worden, bv met de definitie: evenwijdige lijnbundel op de lens laten vallen, of afbeelding maken van raam of van lamp in plafond, dat is ook ver genoeg voor een nagenoeg evenwijdige lijnbundel.

Onderzoeksvaardigheden Onderzoek vereist: Planning (onderzoeksvraag, theorie, ontwerp van experiment) Uitvoering (apparatuur, metingen) Analyse en interpretatie Leerlingen moeten ervaring opdoen met alle drie, niet alleen met meten. Juist die planingsfase ontbreekt in veel practica, geen wonder dat deze fase zo veel problemen geeft bij profielwerkstukken.

Planning en opzet van experimenten Formuleren van onderzoeksvraag Formuleren van hypothese Ontwerpen van experiment (variabelen, controle) Meet definities (operational definitions) Voorspellen van resultaten/verwachtingen Onderdelen van planning en opzet van experimenten. Bedankt dat hypothese een wat algemene verwachting is op grond van voorkennis of theorie en dat voorspelling heel specifiek is voor het bedachte experiment.

Uitvoeren van experimenten Waarnemen, meten Manipuleren van apparatuur Noteren van resultaten Verwerken/berekenen resultaten Uitleg of beslissing over experimentele uitvoering Werken volgens eigen plan Dit gebeurt in alle practicumexperimenten.

Analyse en Interpretatie Transformeren van data in standaardvorm (tabellen etc) Bepalen van verbanden (incl grafieken) Discussie van nauwkeurigheid Discussie van beperkingen/assumpties Formuleren van generalisaties Verklaren van verbanden Formuleren van nieuwe vragen en problemen Oefening van analyse en interpretatie vaardigheden wordt vaak kortgesloten doordat resultaten van te voren bekend zijn of op de volgende pagina van het leerboek staan. Het is heel gemakkelijk experimenten te bedenken waarbij resultaten niet van te voren bekend zijn. Bijvoorbeeld met concept cartoons.

Wet van Ohm versie 1 Opdracht: Welke vaardigheden oefenen ze? Spanning (U) Stroomsterkte (I) U/I 3 4 6 8 10 12 Opdracht: Welke vaardigheden oefenen ze? Dit is een standaard versie.

Wet van Ohm versie 2 Onderzoek De wet van Ohm is: U/I = constant met U: Spanning, I: stroomsterkte Maak een plan om deze wet te verifiëren Teken de schakeling die je gebruikt? Wat ga je variëren/instellen, wat ga je meten? Geef weer in een tabel. Welke spullen heb je nodig? Nu gaat het net als bij die lenzenwet en leerlingen weten niet automatisch wat ze moeten doen, er moet nagedacht worden.

Wet van Ohm 3: Begrip Deel 1: Maak het ontdekkend opdat U/I = constant een ontdekking wordt. Deel 2: Ga dan naar een diode of transistor of gewoon lampje waar U/I NIET constant is. Nu is nadruk meer op het begrip en minder op hoe je experimenteert. Instructies kunnen gegeven worden. Die leiden dan tot de ontdekking van een rechte lijn in een I vs U diagram en de helling is dan 1/R. Vervolgens laat je ze meten aan een diode of een lampje en nu is die helling niet meer constant. Wat gebeurt er nu?

Als docent: waar let je op? Waar let je op tijdens uitvoering van versie 1? Versie 2? Versie 3? In elk van deze versies gelden verschillende leerdoelen zal de docent andere aandachtspunten hebben om op te letten. Het is belangrijk om enkele aandachtspunten te kiezen om zodoende doelgericht met begeleiding op leerdoelen bezig te zijn.

Een practicum toets Bij deze practicumtoets volgens het idee van performance assessment (UK) zijn complete instructies en observatie en scoringscriteria. Zie een word document op de website. Welke papieren handdoeken zijn het best? Bedenk een manier om dit te onderzoeken

An experimenter tested the response of mealworms to light and moisture An experimenter tested the response of mealworms to light and moisture. He set up four boxes as shown in the diagram below. In the center of each box he placed 20 mealworms. One day later he observed the following. Deze vraag leidt tot forse variatie in antwoorden ook onder studenten. De figuur rechtsboven laat zien dat er ook enige reactie is op vochtigheid en niet alleen op licht. Je zou nog een aanvullend experiment moeten doen, bv geen lamp en alleen droog/nat, of aan beide zijden een lamp en droog/nat. De diagrammen laten zien dat de meelwormen reageren op: Licht maar niet op vochtigheid Vochtigheid maar niet op licht Zowel licht als vochtigheid Geen van beiden Leg uit!

Free fall S(t)=1/2 gt2 Bij de meeste experimenten hebben leerlingen toch verwachtingen. Het is belangrijk die expliciet te maken. Zo werkt een wetenschapper ook, bij de meeste experimenten heeft de wetenschapper een theorie met voorspellingen.

Suggesties Voor elk practicum, wees heel specifiek in het vaststellen van de leerdoelen Richt begeleiding op die doelen Oefen apparatuurvaardigheden in pre-lab Begeleidingsvragen, minds-on , heen-en-weer-denken Nabespreking Begripscomponent..wat hebben we geleerd? Methode component..what is the evidence? Triviale maar belangrijke suggesties voor practicum doen.