Kwaliteitsvolle

VAKDIDACTIEK NATUURWETENSCHAPPENin de lerarenopleiding secundair onderwijs

Katholieke Hogeschool Limburg

Renaat Frans promotor en vakdidacticus fysicaFilip Poncelet vakdidacticus chemieLaura Tamassia vakdidacticus fysica

Katholieke Hogeschool Limburg

Renaat Frans promotor en vakdidacticus fysicaFilip Poncelet vakdidacticus chemieLaura Tamassia vakdidacticus fysica

Katholieke Hogeschool Leuven

Els De Smet Linda Clijmans vakdidactici biologie

Katholieke Hogeschool Leuven

Els De Smet Linda Clijmans vakdidactici biologie

Katholieke Hogeschool Kempen

Katrien Vyvey vakdidacticus fysica

Katholieke Hogeschool Kempen

Katrien Vyvey vakdidacticus fysica

School of Education SoE 2011/20Studiedag SoE, 4 oktober 2013, Mechelen

Natuurwetenschappelijke vragen stellen?

Laat je inspireren door deze foto!

Stel een natuurwetenschappelijke vraag!

Noteer de vraag samen

met uw achtergrond:

fysica, chemie, biologie, ...

Probleemstelling onderzoeksproject

• NW in SO met leerlijn “wetenschap voor burger van morgen”.

• Fysica, biologie, chemie in SO met leerlijn “wetenschap voor wetenschapper en technicus van morgen”

• Leerkrachten NW: clustering van fysica, chemie en biologie, maar slechts opgeleid in 1 of 2 wetenschapsvakken

• Weinig vakdidactische traditie voor NW(wel traditie voor vakken apart fysica, chemie en biologie).

Niet vanzelfsprekend!

om natuurwetenschappen te geven

om toekomstige leerkrachten op te leiden voor NW

NW vs. FY/CHE/BIO

Centrale vragen in de inspiratiegids

Kunnen we

• een aantal kenmerken uitwerken van een goede vakdidactiek NW?

• kwaliteitskenmerken in praktijkvoorbeelden uitwerken?

• een goede vakdidactiek vorm geven in de geïntegreerde lerarenopleiding?

Eindresultaten onderzoeksproject

• Inspiratiegids bruikbaar in de lerarenopleiding voor vakdidactiek

natuurwetenschappen, met praktijkoefeningen

• Case CO2 en klimaat

Exemplarische toepassing vakdidactiek natuurwetenschappen op een hedendaags thema

• Nascholing CO2

waar vakdidactische resultaten en praktijkmateriaal gepresenteerd werden aan leerkrachten SO in samenwerking met studenten lerarenopleiding

Inspiratiegids: concept van de cover

Inzichten vanuit

fysica, chemie, biologie maar ook de synthese ervan zijn nodig in natuurwetenschappen...

... om de natuur volledig te begrijpen

Interdisciplinaire aanpak

in natuurwetenschappen

Het belang van de verwondering in NW

Belangrijke taak van het vak NW:

interesse van de jeugd voor de levende en niet-levende natuur opwekken.

Minder fascinatie voor de natuur

en het begrijpen ervan

Jongeren vandaag:• leven eerder ‘ver’ van de natuur • zien de verschijnselen van de natuur niet in de technologie

“Wie kent geen verwondering bij het bekijken van de sterrenhemel of het zien van de rijkdom in de natuur?”

Rol van illustraties in de gids • meer dan ‘illustraties’!• inspirereren tot verwondering• reflecteren over eigen kijk naar de

natuur

Fysicus, chemicus en bioloog zien iets anders in hetzelfde beeld.

Ze kijken met een andere ‘bril’.

Voorbeeld: olievlek

Fysicus, chemicus en bioloog zien iets anders in hetzelfde beeld.

Ze kijken met een andere ‘bril’.

Voorbeeld: olievlek

Vak natuurwetenschappen: op verschillende manieren naar de natuur leren kijken

Structuur inspiratiegidsGebaseerd op resultaten

SoE Kernproject Vakdidactiek

• Vak3dactisch model

• 8 kwaliteitsindicatoren

worden uitgewerkt met voorbeelden voor het vak natuurwetenschappen

Filosofisch kader: school als vrije plaats.Gebaseerd op resultaten van:

SoE project Liefde voor het Vak

Filosofisch kader: school als vrije plaats.Gebaseerd op resultaten van:

SoE project Liefde voor het Vak

Inhoud inspiratiegids

A. Achtergrond: terminologische verwarring?

Geïntegreerd,

interdisciplinair?

of

Of ergens op de trap?Multidisciplinair, interdisciplinair, transdisciplinair?

Of thematisch?

De rol van het synthesemoment in NW

Hoe komt het dat een ijsvogel een strenge winter kan overleven?

Waarom kan een gekko aan het plafond blijven hangen?

Om deze vragen te kunnen beantwoorden:

Inzichten uit de fysica, de chemie en de biologie

combineren om tot een synthese te komen.

Interdisciplinaire aanpak nodig!

1. Natuurwetenschappen anders leren kennen

Als elke discipline andere vragen stelt, welke vragen moet een leerkracht natuurwetenschappen dan stellen?

Gemeenschappelijke kenmerken natuurwetenschappelijke disciplines

• Verlangen naar weten• Natuurwetenschappelijke methode• Rol van abstractie• Consistentie

LET OP:Accent in eindtermen voor

wetenschappelijke vaardigheden ligt op natuurwetenschappelijke methode!

LET OP:Accent in eindtermen voor

wetenschappelijke vaardigheden ligt op natuurwetenschappelijke methode!

Eigenheid vs. gemeenschappelijkheid?

2. Het vak afstemmen op het leren van de lerenden

• Preconcepten en misconcepten.

• Onderwijs kan helaas ook misconcepten introduceren.

• Grotere risico in het vak natuurwetenschappen.

Leerkrachten kunnen zelf preconcepten doorgeven, in het bijzonder in de disciplines waarvoor ze niet opgeleid zijn.

Link met startend SoE project:

Onderzoek als authentieke leerinhoud Naar een didactiek van ondezoek in beweging

Misconcept in de natuurwetenschappen:

De school geeft een redelijk eenzijdig en normerend beeld van de natuurwetenschappelijke methode als het volgen van een aantal ‘regeltjes’. Zie bv. Hodson, 1998: http://web.missouri.edu/~hanuscind/8710/Hodson1998.pdf

Misconcept in de natuurwetenschappen:

De school geeft een redelijk eenzijdig en normerend beeld van de natuurwetenschappelijke methode als het volgen van een aantal ‘regeltjes’. Zie bv. Hodson, 1998: http://web.missouri.edu/~hanuscind/8710/Hodson1998.pdf

3. Kennisbasis algemene didactiek4. Didactiek relevant vertalen naar eigen vak

Men gaat er vaak van uit dat de leerling door wetenschappen in de klas te bedrijven, wel zal begrijpen wat men aan het doen is.

Net zoals bij het koken, blijkt dit een ‘preconcept’ te zijn (van de leerkracht!) dat helaas niet geldig is in de vakdidactiek.

Wie een recept volgt, weet daarom nog niet wat koken is. Je moet het ook hebben over wat koken eigenlijk is, ten einde het koken zelf te verbeteren.

Metacognitie in wetenschappen en de ‘Nature of Science’:

5. Het vak NW laten uitdagen Nanowetenschap

6. Uitgedaagd worden door de praktijk

Hoewel veel leerkrachten vinden dat de huidige lerarenopleidingen onvoldoende voorbereiden om het vak NW te geven, vindt de meerderheid zichzelf wel voldoende geschoold.

Dit staat in schril contrast met het feit dat een aanzienlijke groep docenten van de lerarenopleiding zichzelf onvoldoende geschoold vindt om alle natuurwetenschappen te geven.

Dit staat in schril contrast met het feit dat een aanzienlijke groep docenten van de lerarenopleiding zichzelf onvoldoende geschoold vindt om alle natuurwetenschappen te geven.

Enquête afgenomen: 163 leerkrachten SO, 27 docenten lerarenopleiding

7. Een relevante vakdidactiek natuurwetenschappen opbouwen

Een goede leraar natuurwetenschappen...

• Heeft inzicht in de leerlijnen van elk vak.• Is zich bewust van preconcepten bij leerlingen.• Hanteert de juiste vakterminologie over de disciplines heen.• Is geboeid door biologie, fysica en chemie.• Kan deze passie overbrengen op zijn leerlingen.• Is bereid zich te verdiepen in elk vak en er leraar in te zijn.• Kijkt met de bril van een fysicus, chemicus, bioloog en natuurwetenschapper.• Heeft oog voor interdisciplinariteit.• Ziet mogelijkheden voor integratie.• Hanteert vlot de meetinstrumenten en didactische materialen van de

verschillende vakken.

8. Een vakdidactiek opbouwen op onderzoek

Integratie is per se geen wondermiddel!

Onderzoeksresultaten STEM didactiek inbouwen in didactiek NW Gesteund op resultaten

SoE project P-reviews

NWWetenschap

voor de burger

NWWetenschap

voor de burger

Bereiken van

Bereiken van

Wetenschappelijke geletterdheid

Wetenschappelijke geletterdheid

MAAR...

Geen wetenschappelijke evidentie dat de integratie van fysica, chemie en biologie de wetenschappelijke geletterdheid bevordert!

Case CO2 en klimaat Try-out in de vorm van een nascholingInterdisciplinaire aanpak, hedendaags thema:

• Inleiding: algemene aspecten vakdidactiek NW

• Oefening: welke vragen zou je stellen over CO2 voor jezelf en in de les?

• Kijken naar CO2 en klimaatproblematiek met de bril van

- de chemicus

- de fysicus

- de bioloog

• Synthesemoment: klimaatmodellen.

Om dit probleem op te lossen: inzichten van biologie chemie fysica combineren

Leermateriaal CO2 en klimaat beschikbaar op www.vakdidactiek.be

Leermateriaal CO2 en klimaat beschikbaar op www.vakdidactiek.be

Met de bril van de chemicus

Onderzoek naar:

1. Productie van CO2

2. Omzetten van CO2

3. Meten van concentratie CO2

4. Eigenschappen van CO2

Met de bril van de fysicus

4. Waarom stijgt temperatuur van atmosfeer met meer broeikasgassen?

5. Welke gassen in atmosfeer hebben broeikaseffect?

6. Waarom interactie van IR-fotonen met atmosfeer en geen interactie met zichtbare fotonen?

7. Waarom interactie IR-fotonen met broeikasgassen maar niet met zuurstof en stikstof?

Met de bril van de bioloog

8. Vanwaar komt CO2?

a) Produceren levende wezens CO

2

?b

) Produceert het menselijk lichaam CO

2

?c

) Produceren gistcellen CO

2

?

9. Hoe komt het dat deze bomen sneller groeien als er meer CO2 is?

a) Waarvoor hebben planten CO2 nodig?b) Is fotosynthese-intensiteit afhankelijk van de CO2-concentratie?

Synthese: klimaatmodellen

Om dit op te lossen: inzichten van biologie chemie fysica

combineren!

Om dit op te lossen: inzichten van biologie chemie fysica

combineren!

Klimaat begrijpen, Klimaatveranderingen voorspellen?

BROEIKASEFFECT: KERNIDEE

Energiebalans zon-atmosfeer-aarde bepaalt T atmosfeer.

BROEIKASEFFECT: KERNIDEE

Energiebalans zon-atmosfeer-aarde bepaalt T atmosfeer.

Meer broeikasgassen –> stijgt T Waarom?

De interactie tussen de moleculen van bepaalde gassen (broeikasgassen)

in de atmosfeer met IR straling geproduceerd door de aarde zorgt ervoor dat de IR straling niet ‘weggaat -> T stijgt

Onderzoeksvraag 5FYSICA – PhET applet

Meer broeikasgassen –> stijgt T Waarom?

De interactie tussen de moleculen van bepaalde gassen (broeikasgassen)

in de atmosfeer met IR straling geproduceerd door de aarde zorgt ervoor dat de IR straling niet ‘weggaat -> T stijgt

Onderzoeksvraag 5FYSICA – PhET applet

Welke gassen zijn broeikasgassen?

Kijk naar interactie met IR straling CO2, maar ook ...

Onderzoeksvraag 6 FYSICA – PhET applet

Welke gassen zijn broeikasgassen?

Kijk naar interactie met IR straling CO2, maar ook ...

Onderzoeksvraag 6 FYSICA – PhET applet

Waarom wordt straling geabsorbeerd door moleculen?

Onderzoeksvraag 7 FYSICA – resonantieproeven

Waarom wordt straling geabsorbeerd door moleculen?

Onderzoeksvraag 7 FYSICA – resonantieproeven

Wat bepaalt/beinvloedt de concentratie van CO2? Wat bepaalt/beinvloedt de concentratie van CO2?

Hoe CO2 produceren?

Onderzoeksvraag 1CHEMIE- proeven

Hoe CO2 produceren?

Onderzoeksvraag 1CHEMIE- proeven

Hoe CO2 wegnemen?

Onderzoeksvraag 2

CHEMIE - proeven

Hoe CO2 wegnemen?

Onderzoeksvraag 2

CHEMIE - proeven

Invloed van omgeving (T en pH) op reacties

met CO2

Onderzoeksvraag 4CHEMIE - proeven

Invloed van omgeving (T en pH) op reacties

met CO2

Onderzoeksvraag 4CHEMIE - proeven

Meten van CO2

Onderzoeksvraag 3CHEMIE - proeven

Meten van CO2

Onderzoeksvraag 3CHEMIE - proeven

Hoe weten wat de concentratie van CO2

is?

Hoe weten wat de concentratie van CO2

is?

Nemen planten CO2 op?

Onderzoeksvraag 9BIOLOGIE - proeven

Nemen planten CO2 op?

Onderzoeksvraag 9BIOLOGIE - proeven

Produceren levende wezens

CO2?

Onderzoeksvraag 8BIOLOGIE - proeven

Produceren levende wezens

CO2?

Onderzoeksvraag 8BIOLOGIE - proeven

Wie/wat beinvloedt de concentratie van CO2 in de

natuur?

Wie/wat beinvloedt de concentratie van CO2 in de

natuur?

Concentratie broeikasgassen (oa CO2) in de atmosfeer heeft een invloed op energiebalans en dus op T

Concentratie broeikasgassen (oa CO2) in de atmosfeer heeft een invloed op energiebalans en dus op T

Klimaat verklaren?

KLIMATOLOGIE

Klimaat als resultaat wisselwerking

ATMOSFEER ZON

LAND+OCEANEN

KLIMATOLOGIE

Klimaat als resultaat wisselwerking

ATMOSFEER ZON

LAND+OCEANEN

AstrofysicaAstrofysicaAtmosferische wetenschappe

n

Atmosferische wetenschappe

n

GeowetenschappenGeowetenschappen

KLIMAAT-MODELLEN

energiebalansZon-

aarde+atmosfeer

KLIMAAT-MODELLEN

energiebalansZon-

aarde+atmosfeer

Atmosferische fysica

Atmosferische fysica

Atmosferische Chemie

Atmosferische Chemie

METEREOLOGIEMETEREOLOGIEOUTPUT:

WeerberichtOUTPUT:

Weerbericht

Frequentie/trendsIn weersystemen

Lange termijn

Weersystemen

Korte termijn, max 2 weken

GeobiochemieGeobiochemie

EcologieEcologie

Oceanografie

Oceanografie

GlaciologieGlaciologie

HydrologieHydrologie

Fysische geografieFysische geografie

Vulkanologie

Vulkanologie

INPUTParameters die situatie zon, aarde-atmosfeer aangeven,

bv. concentratie

CO2

INPUTParameters die situatie zon, aarde-atmosfeer aangeven,

bv. concentratie

CO2

OUTPUT: TVoorspelling

temperatuur aarde

OUTPUT: TVoorspelling

temperatuur aarde

WiskundeWiskunde InformaticaInformatica

Complex: computer nodig!

Kwantitatief

In het verleden testen, voorspelling met oude data vergelijken

Verdieping: complexiteit - klimatologie en de andere wetenschappen

C. BesluitKwaliteitsvolle vakdidactiek NW

• NW fascinerend menselijk avontuur belichaamd door grote wetenschappers, met als drijfveer het verlangen naar weten

• Gemeenschappelijk:– Unificerende concepten -> abstractie– Consistentie– Onderzoekende houding

• Context: niet enkel alledaags, durf ook moderne wetenschappen, hedendaagse research, buiten leefwereld…

• geen plakwerkdidactiek• afzonderlijke disciplines niet negeren• Synthese tussen 3 vakken cruciaal (interdisciplinair)• Leraar gids doorheen NW kernconcepten -> superman of -vrouw

Buitenlandse inspiratie

Baden-Württemberg

Verdiepen in disciplines én synthese

Conclusie

In de initiële opleiding niet mogelijk

om de drie vakken + synthese te doen

BaSO Lerarenopleiding 2 vakken (meestal 1 wet. Vak)-> Voortgezette opleiding-> extra vak(ken) + synthese toevoegen- > koppelen aan vakdidactisch onderzoek

VAKDIDACTIEK NATUURWETENSCHAPPEN

Discussie: Natuurwetenschappelijke vragen stellen?

Verband vraag - achtergrond?

• Vakkennis• Vaardigheden• Liefde voor het vak?

Onze inspiratiegids kan besteld worden

en de leermaterialen voor de case CO2 en klimaat zijn beschikbaar op:

http://www.vakdidactiek.be/natuurwetenschappen