05/05/15
+ Big Ideas Great STEM
Symposium ENW Intro Belangrijkste begrippen
Workshop 1 • • •
Waarom? Voorbeeld Begrippenkader Big Ideas Great STEM
Waarom? Onderwijs in de wetenschappen heeft problemen
1
05/05/15
Te veel weetjes, te weinig inzicht
Termen uit een handboek NW versus de eindtermen
Inzichten niet duurzaam Peiling instroom bacheloropleidingen 2014, 35 vragen
Zelfs de meest elementaire inzichten zijn niet meer aanwezig bij start hoger ondewijs.
Voorbeeld over planten? Een boom groeit van een klein zaadje uit tot een metershoge plant. Waar komt al die materie hoofdzakelijk vandaan? A.
Uit mineralen in de grond?
B.
Uit vetten en suikers in de grond?
C.
Uit zonne-energie?
D.
Uit de lucht?
Slechts 7% weet het juiste antwoord… 62% is ervan overtuigd dat een plant haar voedsel haalt uit de grond Uit andere vragen blijkt dat 41% denkt dat het zaadje van een bloemplant het mannelijk genetisch materiaal bevat.
2
05/05/15
En er is meer…
• Slechts 1 op 3 beheerst de derde wet van Newton
• De helft van de studenten denkt dat de
massa of de afmeting van de deeltjes wijzigt bij een fase-overgang. • Maar 53% weet dat een neutraal atoom evenveel protonen als elektronen bevat.
• Meer dan de helft (52%) denkt dat er bij
oplossen van suiker in water massa verloren gaat. • 44% denkt dat er bij koken van water waterstofgas en zuurstofgas wordt gevormd. • Nog geen 10% weet dat de hitte in de aardkern afkomstig is van radio-activiteit.
Alternatieven gevraagd…
Uitdaging rond elektriciteit
3
05/05/15
Elektriciteit
• Waarom? • Ontwikkel 2 werkende en 2 niet werkende circuits
• Maak een schets en test de circuits • Welk patroon vind je?
Elektriciteit 2
• Wat zijn de oorzaken voor stroom • Als X dan vloeit er stroom • X?
•
Look to the flow of energy
•
Look to the flow of matter
Elektriciteit
• Verfijn het model • Teken de ladingen
• Oorzaak en gevolg zijn simultaan …
4
05/05/15
+ Project: Big Ideas Great STEM
Overkoepelende Visie
Fysische wereld
Ideeën Perspectieven
Systemen
Patronen
Oorzaken
Stabiliteit en verandering
Denk- en werkwijzen
Schaal en verhouding Modellen maken Vragen stellen, problemen definiëren en gebruiken
Onderzoek plannen Data analyseren en interpreteren en uitvoeren
Stromen, cycli en behoud
Structuur en functie Modellen
Wiskunde en ICT gebruiken
Verklaringen en oplossingen formuleren
Argumenteren Informatie bekomen, evalueren en op basis van data communiceren
5
05/05/15
De fysische wereld?
• De fysische wereld bevat de levende natuur, de nietlevende natuur en alle technische realisaties • Rechtstreeks te ervaren via de zintuigen • Of onrechtstreeks via technische toestellen
Ideeën? Denk- heeft en werkwijzen • Iedereen ideeën of denkbeelden over de fysische wereld
• Deze ideeën kunnen heel verschillend zijn
• Tijdens een leerproces worden de verschillende ideeën met elkaar geconfronteerd.
• Denkkader verruimen • Wie leert van wie?
Perspectieven?
• Kernideeën Invalshoeken van waaruit we de fysische wereld doorgronden
• Een denkkader dat relevante vragen stelt: • Wat zijn de grenzen van een fenomeen? • Vind je een patroon? • Wat is essentieel, wat is overbodig? • Zijn er duidelijke oorzaken? • Hoe loopt de energie, materie doorheen het systeem?
• Kan het gedrag worden verklaard door het systeem op te splitsen in kleinere delen?
• Heeft de structuur een invloed op de het gedrag
• Wanneer is een systeem stabiel en wanneer is er verandering?
• …
• Meta ‘big ideas’: vakoverschrijdend
6
05/05/15
Denk- en werkwijzen?
Denk- en werkwijzen
• Beschrijven hoe een wetenschapper de fysische wereld onderzoekt
• Wat doet hij/zij? • Hoe denkt hij/zij?
Vragen stellen, problemen definiëren
Modellen maken en gebruiken
• Komen overeen met de
onderzoeksvaardigheden
• Zijn geen vast stappenplan… • … maar zetten aan
Onderzoek plannen en uitvoeren
Data analyseren en interpreteren
Wiskunde en ICT gebruiken
Verklaringen en oplossingen formuleren
Argumenteren op basis van data
Informatie bekomen, evalueren en communiceren
• om zelf te onderzoeken en • om kritisch met andere denkbeelden om te gaan.
Inzoomen SO natuurwetenschappen
Verschillen met algemeen kader
• Gericht naar het secundair onderwijs • Ideeën worden concreter ingevuld tot kernideeën • 3D didactiek: elk didactisch proces bevat 3 evenwaardige dimensies
• Kernideeën • Perspectieven • Denk- en werkwijzen
7
05/05/15
Kernideeën
Fysische wereld
Materie bestaat uit deeltjes
Denk- en werkwijzen Straling is overal
Kernideeën
Levende wezens bestaan uit cellen met een gelijkaardige structuur Bij elk proces wordt energie omgezet van één vorm in een andere Wijziging van beweging vereist interactie met een ander object Organismen passen zich aan door overerving, variatie en selectie van kenmerken Organismen concurreren om materie en energie Organismen beïnvloeden de omgeving en vice versa
Denk- en werkwijzen
Perspectieven
Systemen
Patronen
Schaal en verhouding
Oorzaken
Stabiliteit en verandering
Modellen maken Vragen stellen, problemen definiëren en gebruiken
Onderzoek plannen Data analyseren en interpreteren en uitvoeren
Stromen, cycli en behoud
Structuur en functie
Wiskunde en ICT gebruiken
Modellen
Verklaringen en oplossingen formuleren
Argumenteren Informatie bekomen, evalueren en op basis van data communiceren
De fysische wereld in de 3D Didactiek
• De fysische fenomenen spelen zich af binnen een bepaalde context
• wetenschappelijke en maatschappelijke context • beroepscontext • leefwereldcontext
• Linken naar verschillende contexten vergroten de relevantie van de (kern)ideeën
Kernideeën in de 3D didactiek? en werkwijzen • De Denkkernideeën zijn de ‘Big Ideas’ van de natuurwetenschappen • Vatten de essentie samen in krachtige ideeën
• Zorgen voor samenhang • ‘Less is more’: meer ruimte voor onderzoekend leren
• De natuurwetenschappen worden samengevat in 8 overkoepelende kernideeën
• Heel algemeen, geven een referentiekader
• Mogelijkheid tot uitdieping in leerlijnen
8
05/05/15
Leerlijnen van kernideeën? Denken werkwijzen • Goed onderbouwde selectie van kernideeën binnen het concept ‘science for all’
• Vallen niet samen met eindtermen/ leerplannen
• Selecteren wat essentieel is voor iedereen en wat niet
• Lessen ‘Science for the scientist’
4G Elektriciteit en Magnetisme Abstractieniveau 4
Het samenspel van elektrische en magnetische krachten zijn de basis voor veel moderne technologie: elektrische motoren, generatoren, en toestellen die elektromagnetische golven produceren. (4G/H5c)
De kernkrachten houden de protonen en neutronen in de atoomkern samen. Ze zijn sterker dan de elektrische krachten tussen de protonen en de elektronen van het atoom. Hierdoor komt er veel meer energie vrij door nucleaire reacties dan door door chemische reacties. (4G/H6)
De elektrische krachten werkzaam in en tussen atomen zijn veel sterker dan de graviationele krachten tussen de atomen. Op grotere schaal echter middelen de elektrische krachten uit, terwijl de gravitatiekrachten samentellen tot een duidelijk …
Elektrische krachten houden vaste stoffen en vloeistoffen samen. Deze krachten werken ook op voorwerpen die met elkaar in contact zijn (vb. aan elkaar kleven of wrijving tussen voorwerpen). …
Elektrische stromen in het binnenste van de aarde maken van de aarde een grote magneet. Hierdoor wijzen de kompasnaalden naar het noorden. (4G/H7)
Bij zeer lage temperaturen worden sommige materialen supergeleiders. Deze materialen bieden geen weerstand aan de elektronenstroom. (4G/H4c)
De geleidbaarheid van halfgeleidende materialen hangt sterk af van de juiste samenstelling van het materiaal. (4G/H4d)
De elektrische krachten tussen de elektronen en protonen in atomen houden de moleculen samen. Deze atomaire elektrische krachten zijn dus ook van belang in allerlei chemische reacties. (4G/H2b)
Veel geleidende materialen, zoals metalen, bevatten vrije elektronen. Deze elektronen hangen niet sterk vast aan de atoomkernen, ze kunnen zich vrij bewegen. Onder invloed van elektrische krachten bewegen de vrije elektronen zich gelijktijdig doorheen het materiaal en resulteren in een elektrische stroom. In isolerende materialen, zoals glas, zijn de elektronen (sterker) gebonden aan de atoomkernen, waardoor er geen stroom van betekenis doorheen het materiaal gaat. (4G/H4ab)
Wanneer geladen voorwerpen versnellen of vertragen genereren ze elektromagnetische golven rondom zich. (4F/H3a)
Magnetische en elektrische krachten zijn sterk gerelateerd aan elkaar. Het zijn twee facetten van de elektromagnetische kracht. Bewegende ladingen produceren magnetische krachten en bewegende magneten produceren elektrische krachten. (4G/H5ab)
De meeste voorwerpen zijn elektrisch neutraal doordat ze evenveel protonen en elektronen bevatten. Een negatief geladen voorwerp heeft extra elektronen verzameld, een positief geladen voorwerp heeft elektronen verloren. Zelfs een klein verschil tussen het aantal protonen en elektronen van een voorwerp kan voor aanzienlijke elektrische krachten op andere voorwerpen veroorzaken. (4G/H3)
De elektronen worden door (externe) elektrische krachten sterker beïnvloed dan de atoomkernen. Dit komt door hun veel kleinere massa en doordat ze zich ver van de kern kunnen bevinden. (4G/H8)
Atomen bestaan uit een positief geladen kern omringd door negatief geladen elektronen. De kern neemt nauwelijks volume in maar neemt al de massa van het atoom voor zijn rekening. De kern bestaat uit protonen en neutronen die ongeveer dezelfde massa hebben. De protonen zijn positief geladen terwijl de neutronen niet geladen zijn. (4D/H1)
De verandering van de beweging van een voorwerp (snelheid of richting) is recht evenredig met de uitgeoefende kracht op het voorwerp en omgekeerd evenredig met de massa van het voorwerp. (4F/H1)
Abstractieniveau 3
Er vloeit maar een elektrische stroom in een elektrisch circuit als de stroomkring gesloten is. (4G/M4)
Materialen verschillen in de manier waarop ze reageren op elektrische stromen, magnetische krachten, licht en andere elktromagnetische golven. …
Wanneer de krachten op een voorwerp elkaar niet opheffen dan zal de snelheid en/of de richting van het voorwerp veranderen. (4F/M3a)
Een voorwerp kan op twee manieren geladen worden, positief of negatief. Gelijk geladen voorwerpen stoten elkaar af, ongelijk geladen voorwerpen trekken elkaar aan. (4G/M5)
Abstractieniveau 2
Krachten veroorzaken veranderingen van de snelheid of de richting van de beweging van het voorwerp. (4F/E1a)
Een geladen voorwerp trekt ongeladen voorwerpen aan en kan andere geladen voorwerpen aantrekken of afstoten. Dit alles gebeurt vanop een afstand, zonder aanraking. (4G/E3)
Een magneet trekt ijzeren voorwerpen aan en kan andere magneten aantrekken of afstoten. Dit alles gebeurt vanop een afstand, zonder aanraking. (4G/E2)
Abstractieniveau 1
Magneten kunnen sommige voorwerpen, vanop een afstand laten bewegen zonder deze aan te raken. (4G/P2)
Door te duwen op of te trekken aan een voorwerp verander je de beweging van een voorwerp. (4F/P2)
Versie 11
kunnen deze kernideeën uitbreiden in de diepte.
• Leerlijn over verschillende abstractieniveaus
• 1 (elementair) tot 4 (hoog) • Visualiseren de samenhang tussen de
Leerlijnen
begrippen
Materie bestaat uit deeltjes
werkwijzen • HetDenkbegripen ‘deeltjes’ wordt afhankelijk van de context verschillend ingevuld
• moleculen • atomen • ionen • elektronen, protonen, neutronen • …
• De eigenschappen van de deeltjes
bepalen de eigenschappen van de materie als geheel
• Aanverwante leerlingendenkbeelden • Leerlingen zien de materie als continu,
deeltjes worden niet als bouwstenen gezien maar als kleine stukjes van de continue materie. • Leerlingen hebben geen besef van de grootte en de massa van de gebruikte deeltjes.
Leerlijnen
• Leerlijnen 4D Atomen en moleculen • 4D Behoud van de materie • 4D Aggregatietoestanden van de materie
• 4D Chemische reacties
Materie bestaat uit deeltjes
Denk- en werkwijzen
Leerlijnen
9
05/05/15
Straling is overal
Denk- en werkwijzen • Elektromagnetische straling
doordringt de ruimte en transporteert energie en informatie. Licht is een vorm van straling. • Straling verbindt alle systemen met elkaar. • Leerlingendenkbeelden
• Leerlingen hebben het moeilijk om de bron van licht/straling te onderscheiden van zijn effecten.
• Ze hebben het moeilijk met het idee dat licht hun ogen moet bereiken om iets te zien. Ze zien licht niet als een informatiedrager. • Leerlingen denken wel dat ze licht zelf kunnen zien.
Leerlijnen
• Leerlijnen 4F Golven • 4G Elektriciteit en Magnetisme
Straling is overal
Levende wezens bestaan uit cellen met een gelijkaardige structuur
Denk• Cellen zijnen dewerkwijzen bouwstenen van alle levende organismen. Alle cellen hebben een gelijkaardige basisstructuur en werking.
• Door de cellen te bestuderen kan men inzicht krijgen in de werking van alle levende systemen.
• Leerlingendenkbeelden
• Leerlingen zien de cel wel als het
basiselement van de structuur van het organisme maar niet als het basiselement van de werking van het organisme.
Leerlijnen
• Leerlijnen 5C Celfuncties • 5C Cellen en organen • 6C Basisfuncties
10
05/05/15
Levende wezens bestaan uit cellen met een gelijkaardige structuur
Bij elk proces wordt energie omgezet van één vorm in een andere
Denken verschillende werkwijzen • Energie heeft
verschijningsvormen. Tijdens een proces verdwijnt er geen energie maar wordt het omgezet van één vorm in een andere vorm. • Door naar de stroom van de energie in een systeem te kijken krijgen we een dieper inzicht in het proces.
• Leerlingendenkbeelden
• Leerlingen zien energie zelden als iets dat meetbaar en kwantificeerbaar is.
• De transformatie van bewegingsenergie naar
warmte is moeilijk om te aanvaarden, zeker als het temperatuurseffect klein is. • Het is niet duidelijk dat sommige energievormen zoals licht, geluid, en chemische energie, kunnen gebruikt worden om iets te laten gebeuren.
Leerlijnen
• Leerlijnen 4E Energieomzettingen • 5E Energiestroom in ecosystemen
Bij elk proces wordt energie omgezet van één vorm in een andere
11
05/05/15
Wijziging van beweging vereist interactie met een ander object
werkwijzen • EenDenkobject en verandert zijn beweging
(versnellen, vertragen, afbuigen, …) niet zelf. Als de bewegingstoestand verandert dan is dit door een interactie met een ander object. Deze interactie is de kracht uitgeoefend van het andere object op het object waarvan de beweging verandert. • Door deze interacties te bestuderen kunnen we de bewegingen van objecten voorspellen. • Leerlingendenkbeelden
• Leerlingen zien kracht als een eigenschap van een object eerder dan een interactie tussen objecten.
• Constante beweging heeft een kracht nodig
om deze beweging te onderhouden. • Er bestaan actieve objecten (vb. een hand) die krachten kunnen uitoefenen en passieve objecten (zoals een tafel) die geen kracht kunnen uitoefenen.
Leerlijnen
• Leerlijnen 4F Bewegingswetten • 4G Gravitatie • 4G Elektriciteit en Magnetisme
Wijziging van beweging vereist interactie met een ander object
Organismen passen zich aan door overerving, variatie en selectie van kenmerken
• Organismen geven kenmerken door aan hun Denk- en werkwijzen
nageslacht. Er zitten evenwel kleine foutjes in dit reproductief systeem waardoor er variatie ontstaat. De variëteiten die ‘toevallig’ het best aangepast zijn aan hun omgeving worden uitgeselecteerd. • De diversiteit van levende en uitgestorven organismen is het gevolg van dit model. • Leerlingendenkbeelden
• • • • •
Leerlingen denken vaak dat er maar eigenschappen van 1 ouder doorgegeven worden of bepaalde eigenschappen komen van de vader, andere van de moeder. Leerlingen denken dat er eigenschappen van de omgeving overgeërfd kunnen worden. Leerlingen denken dat de omgeving zelf voor nieuwe variëteiten zorgt en ontkennen de invloed van toeval in het proces. Leerlingen zien het onstaan van nieuwe soorten eerder als een geleidelijke overgang en niet als het overleven van enkele individuën die zich effectiever voortplanten. Leerlingen denken soms dat aanpassingen een gevolg zijn van een doel of een ontwerp.
Leerlijnen
• Leerlijnen 5A Diversiteit van het leven
• 5B Variatie en overerving • 5F Biologische evolutie • 5F Natuurlijke selectie
12
05/05/15
Organismen passen zich aan door overerving, variatie en selectie van kenmerken
Organismen concurreren om materie en energie
Denk- enhebben werkwijzen • Organismen een toevoer van
energie en materie nodig waardoor zij dikwijls afhankelijk zijn van of in competitie gaan met andere organismen. • De stroom van energie en materie doorheen een ecosysteem verklaart de plaats van de organismen in het ecosysteem. • Leerlingendenkbeelden
• Leerlingen weten niet hoe voedsel wordt
omgezet in een organisme en hoe dit een deel kan uitmaken van dit organisme.
• Leerlingen denken dat levende organismen uit totaal verschillende materialen zijn opgebouwd dan dode organismen.
• Leerlingen hebben het moeilijk met het idee dat planten hun voedsel vooral uit de lucht halen.
• Leerlingen verwarren energie met voedsel,
Leerlijnen
• Leerlijnen 5E Materiestroom in ecosystemen • 5E Energiestoom in ecosystemen
kracht en temperatuur.
Organismen concurreren om materie en energie
13
05/05/15
Organismen beïnvloeden de omgeving en vice versa
Denk- enveranderen werkwijzen • Organismen onder druk van
de omgeving maar hun aanpassingen zullen de omgeving ook weer veranderen.
• Hierdoor ontstaan stabiele ecosystemen. • Leerlingendenkbeelden
• Leerlingen denken dat organismen hun eigen lichaamsstructuur kunnen aanpassen aan hun omgeving.
• Leerlingen denken dat organismen op een veranderde omgeving reageren door een meer aangepaste omgeving te zoeken.
• Leerlingen denken dat dode organismen wegrotten en zo verdwijnen uit het ecosysteem.
• Leerlingen denken dat het rottingsproces
Leerlijnen
• Leerlijnen 5B Onderlinge
afhankelijkheid
geleidelijk gaat zonder de nood aan opruimers. De materie blijft wel behouden maar ze hebben geen idee waar die naartoe is.
Organismen beïnvloeden de omgeving en vice versa
Kernideeën: the big ideas en werkwijzen • VatDenkde inhoudelijke essentie van elke les samen
• Waarover gaat dat hier?
• Zoek samenhang tussen de verschillende vakken
• Gebruik hiervoor de 8 ideeën • De atlassen
• Gebruik de leerlijn voor • Nodige voorkennis • Waar gaat dit naartoe?
• Zowel bruikbaar in
Leerlijnen
• een ‘klassieke’ les • een onderzoekende les
14
05/05/15
Extra
• Enkele lesvoorbeelden • Flesexperiment
• Wat is je model voor de zwevende voorwerpen?
• Welke voorspellingen kan je maken op basis van dit model?
• Wanneer twijfel je aan je model? • Hoe kan ik dit verbeteren?
Wat komt er nog?
• Uittestfase van de workshops • Workshopfase voor leerkrachten • 27 Augustus
• Inmengen in de STEM discussie
15
