Kwaliteitsvolle VAKDIDACTIEK NATUURWETENSCHAPPEN in de lerarenopleiding secundair onderwijs

Katholieke Hogeschool Limburg

Renaat Frans promotor en vakdidacticus fysica

Filip Poncelet vakdidacticus chemie

Laura Tamassia vakdidacticus fysica

Katholieke Hogeschool Leuven Els De Smet Linda Clijmans vakdidactici biologie

Katholieke Hogeschool Kempen Katrien Vyvey vakdidacticus fysica

School of Education SoE 2011/20 Studiedag 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

Vak natuurwetenschappen: op verschillende manieren naar de natuur leren kijken

Structuur inspiratiegids

Gebaseerd 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

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!

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

3. Kennisbasis algemene didactiek 4. 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.

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

NW

Wetenschap

voor de burger

Bereiken

van

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 nascholing

Interdisciplinaire 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

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 CO2? b) Produceert het menselijk lichaam CO2? c) Produceren gistcellen CO2?

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!

Klimaat begrijpen, Klimaatveranderingen voorspellen?

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 5

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

Wat bepaalt/beinvloedt de

concentratie van CO2?

Hoe CO2

produceren?

Onderzoeksvraag 1

CHEMIE- proeven

Hoe CO2

wegnemen?

Onderzoeksvraag

2

CHEMIE - proeven

Invloed van

omgeving (T en

pH) op reacties

met CO2

Onderzoeksvraag 4

CHEMIE - proeven

Meten van CO2

Onderzoeksvraag 3

CHEMIE - proeven

Hoe weten wat de

concentratie van CO2

is?

Nemen planten CO2 op?

Onderzoeksvraag 9

BIOLOGIE - proeven

Produceren

levende wezens

CO2?

Onderzoeksvraag 8

BIOLOGIE - proeven

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

Klimaat verklaren?

KLIMATOLOGIE

Klimaat als resultaat wisselwerking

ATMOSFEER

ZON

LAND+OCEANEN

Astrofysica

Atmosferische

wetenschappe

n

Geowetenschappen

KLIMAAT-

MODELLEN

energiebalans

Zon-

aarde+atmosfeer

Atmosferisc

he fysica

Atmosferisc

he Chemie

METEREOLOGIE

OUTPUT:

Weerbericht

Frequentie/trends

In weersystemen

Lange termijn

Weersystemen

Korte

termijn,

max 2

weken

Geobiochemie

Ecologie

Oceanografi

e

Glaciologie

Hydrologie

Fysische

geografie Vulkanologi

e

INPUT Parameters

die situatie

zon, aarde-

atmosfeer

aangeven,

bv.

concentrati

e CO2

OUTPUT: T Voorspelling

temperatuur aarde

Wiskunde Informatica

Complex:

computer

nodig!

Kwantitatief

In het verleden testen,

voorspelling met

oude data vergelijken

Verdieping: complexiteit - klimatologie en de andere wetenschappen

C. Besluit Kwaliteitsvolle 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